WO2011015302A1 - Arrangement and method for capacitive pressure measurement - Google Patents
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- WO2011015302A1 WO2011015302A1 PCT/EP2010/004605 EP2010004605W WO2011015302A1 WO 2011015302 A1 WO2011015302 A1 WO 2011015302A1 EP 2010004605 W EP2010004605 W EP 2010004605W WO 2011015302 A1 WO2011015302 A1 WO 2011015302A1
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Definitions
- the invention relates to an arrangement and a
- the invention relates to the calibration of pressure sensors.
- DE 101 00 321 A1 shows a pressure sensor with a
- Capacitor plates this movement and generate due to the change in capacitance, an electrical output signal that represents the external pressure.
- DE 103 13 908 B3 shows a pressure sensor with a conductive first electrode and spaced from this an opposite membrane.
- This membrane comprises a second electrode or acts as a second electrode itself.
- Manufacturing tolerances in the pressure sensors may come to deviations from the characteristic, so that the measurement accuracy of the pressure sensor is impaired.
- the invention is based on the finding that a calibration of the deflection of a membrane of a
- Pressure sensor measuring sensor arrangement can be simplified if a plurality of measuring at a distance from the center axis of the membrane sensors are provided which determine the deflection of the membrane at the respective locations, wherein the measured distance, or
- a pressure sensor which comprises an elastically deformable, fixed at its edge, deflectable due to a pressure difference membrane, as well as at least two displacement sensors, wherein the
- Pressure sensor comprises a computing device, which from the Displacements detected by the deflection sensors calculate a deflection in the middle of the membrane and from this a value for the pressure difference bearing on the membrane is calculated.
- Calculation device from the deflections detected by the deflection sensors to calculate a deflection in the middle of the membrane and from it a value for the pressure difference on the diaphragm.
- a measurement of the deflection can be made alternatively or additionally in the middle of the membrane.
- a method for calibrating a pressure sensor wherein a pressure sensor is used, which has a deformable, fixed at its edge membrane, on which as a result of a pressure to be measured
- Pressure difference acts and at least one distance sensor which corresponds to the distance of the membrane to a
- Proportionality factor between a deflection of the membrane and a force acting on the membrane is determined or influenced, and wherein based on the
- T designates the mechanical stress in force per area (N / m 2 ) and pM ater i a i the mass coating or the density (kg / m 3 ).
- the membrane is held on the edge and / or fixed, for example on a solid ring. Both at a vibration in resonance, as well as a deformation due to a pressurization is therefore the deflection ⁇ ) at the maximum radius p ma ⁇ , which measured the location at the fixed edge of the membrane from the center of
- a (p, t) A msii ⁇ n ⁇ vt + / 3 0 ) j 0 ( ⁇ , p) where J 0 ( ⁇ , p) denotes a Bessel function first
- Genus. ß, ß 0 are constants that result from the zeroes of the Bessel function, or from the equation
- the Bessel function has several zeros, and the partial differential equation thus has several solutions.
- the membrane has several natural resonance frequencies (modes). For the case described above, it suffices to consider the lowest frequency:
- Constants the tension T and thus the restoring force of the membrane at a given deflection can be determined by simple means.
- the voltage T is in the context of the invention in this case of a mechanical stress
- this aspect of the invention is thus the
- Fig. 1 the deflected membrane of a pressure sensor.
- Fig. 2 is a pressure sensor with capacitive
- Fig. 4 is a self-calibrating sensor.
- 1 shows the membrane 1 of a pressure sensor, which is held at its edge, that is to say at the position with the radius p ma measured from the center axis 5 of the membrane 1.
- the membrane may be fixed on a ring 3.
- the diaphragm 1 is due to an applied pressure, or more precisely a pressure difference between the two sides along the center axis
- the deflection causes the surface of the membrane at the edge opposite an undeflected position at an angle ⁇ . Due to the elastic deformation of the pressure difference acts in
- the membrane is stretched by the applied pressure p.
- ⁇ L / L For the relative linear expansion ⁇ L / L the following applies:
- H denotes the thickness of the membrane and p the radius.
- Membrane area A m and spring force F is obtained as a relationship between the pressure on the diaphragm p, the
- the deflection A ⁇ P> ⁇ > in the center of the membrane is measured or determined at the location of the center axis, and secondly A ⁇ P' ⁇ 'is converted by means of the voltage T into a pressure p taking into account the membrane constants.
- the constants can be calculated or experimentally determined once. Since a circular diaphragm is assumed, the argument of the azimuth angle weg is omitted below.
- the pre-factor can therefore also be determined once for a particular type of membrane and be based on the calibration of the resonance frequency in the following. According to a preferred
- Membrane is formed, captured. In order to detect a voltage change due to a deflection of the membrane, it is advantageous to use a bridge circuit and for this purpose to connect a further, constant capacitance in series.
- Fig. 2 shows an embodiment of a pressure sensor with capacitive deflection sensors, which changes in voltage on the basis of a deflection of the membrane
- the membrane is low in tension as shown in Fig. 1 with a rigid ring 3, not shown in Fig. 2
- the membrane 1 may be a dielectric
- a carrier 13 for example, a ceramic carrier or a printed circuit board. On this are several concentric to
- a flat counter electrode 15 is provided, which is spaced from the annular electrodes 6, 7, 8 and arranged on the opposite side of the membrane-facing side of the annular electrodes 6, 7, 8 ,
- a shield electrode 17 may be provided to reduce immunity to electrical noise
- all the electrodes 6, 7, 9, 15 and 17 are arranged on or in the carrier 13. But it is also conceivable, for example, a series circuit of capacitors instead of a counter electrode 15 with separate, to the
- annular electrodes 6, 7, 8 each form together with the metallic layer 11 on the one hand and the Counter electrode 15 capacitors, or capacitors. For each of the annular electrodes 6, 7, 8 results in a series circuit of the capacitors, which are formed of counter electrode and annular electrode and metallic layer 11 and annular electrode.
- the field lines are largely parallel, therefore, for the model of a plate capacitor can be applied.
- the capacitors in question are denoted by Ci 1 or C 21 .
- the capacitance of the capacitors C 2 i is constant, whereas the capacitance of the
- Capacitors Ci 1 is variable due to the changing in a deflection of the membrane distance between the ring electrode and the metallic layer 11.
- the voltage Ui across the capacitors Ci 1 is calculated according to the voltage divider rule which follows from the series connection of the capacitors Ci 1 and C 21 :
- ⁇ the angular frequency of the AC voltage
- Ci 1 , C 21 the capacities of the arrangement of the
- ⁇ r denotes the relative dielectric constant of the substrate, which as a multiplier in capacity of each of the ring electrodes 6, 7, 8 and the
- Counter electrode 15 formed capacitors received.
- the plate spacings of the capacitors Ci f i and C 2 , i are denoted by di and d 2 , respectively.
- A_offi denotes the offset displacement of the ith ring to the plane of the membrane.
- A_offi denotes the distance of the annulus to the undeflected membrane.
- Equation (14) can be used for a precise calibration.
- the membrane is e.g. by an external sound wave, or magnetic in harmonic
- the substrate constant is available in all terms so that it can be used after calibration of the sensitivity if required.
- a particularly efficient measure of the non-linearity can be formed from the ratio of the amplitude differences:
- Characteristic curves as a function of the parameter Cabled, and then the required characteristic is selected.
- the value K can also be obtained online through accumulation of
- Measured values and / or the fitting of parameters and the recording behavior are determined. For example, if the sensor is exposed to mechanical stress due to heating, the value K may change. In this case, the characteristic can be switched, or generally adapted to the changed value K. For this it makes sense to accumulate K over a longer period of time.
- the pressure sensor with capacitive deflection sensors with annular, concentric and arranged at a distance from the membrane annular electrodes in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency j ⁇ AC voltages Ui (j ⁇ ), U 2 (j ⁇ ), U 3 (j ⁇ ), where the amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors as a measured quantity, adapted to determine the value of the parameter K according to the equation (15f) given above, a voltage / pressure characteristic based on the parameter K TO determine and then determine pressure values based on the determined characteristic curve.
- Displacement representative of measured values can be formed. This ratio, corresponding to the parameter K, is then used to determine a characteristic, such as by selection from a stored list of ratios. It is also possible to change the offset,
- A_OFF: d 2 (J 0 (P 2) (/ '0' ⁇ ) U 0 + J 0 (P 2) U 1 (J ⁇ ) ⁇ CZ 2 O) + J 0 (Pl) CZ 2 O " ⁇ ) CZ 0
- A_off is corrected in the arithmetic unit, for example a microcomputer integrated in the sensor. Another way to determine the A_off value online is to read the reading,
- the pressure sensor is provided with deflection sensors with annular, concentric and spaced from the membrane annular electrodes, in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency j ⁇ AC voltages
- ⁇ the dielectric constant of the material between the counter electrode and the annular electrodes, and Uo denote the applied AC voltage, and / or by
- Auslenkungssensoren with annular, concentric and spaced from the membrane electrodes are in particular by the between the membrane and a
- Deflection sensors is detected, and wherein the deflection A (P 1 ) and the distance A_offi of the ith annulus to the undeflected membrane are determined by the relationships (15a) and (15b), where p t is the radius of the i-th annular electrode , d 2 denotes the distance of the i-th annular electrode to the counter electrode and ⁇ the dielectric constant of the medium between the i-th annular electrode and the counter electrode.
- a method for pressure measurement in which the membrane is set into harmonic oscillations, the values of the measured variable of the deflection sensors are determined at the deflection maxima of the membrane and, based on these values of the measured variable, a calibration of the deflection of the membrane in FIG
- the excitation of the resonant vibration may be in an external device, such as a Kundschen tube.
- Fig. 3 shows schematically such an arrangement for calibration.
- the speaker 19 is in
- Pressure sensor 10 acts. Furthermore, the phase and the frequency of the radiated sound waves, the Resonance frequency of the assembly 10 are aligned. From the resonance frequency, the diameter, the thickness and the modulus of elasticity of the membrane, its sensitivity can be calculated.
- the pressure sensor 10 itself may be provided with means for exciting vibrations of the diaphragm 1.
- 4 shows schematically a pressure sensor 10 with such a device for exciting vibrations of the membrane 1 in the form of a coil 21.
- the coil 21 is in this example arranged centrally to the membrane on the support 13, on which also the annular electrodes 6, 7, 8 are located.
- the membrane is here provided with a magnetizable material at least in the region of the field of the coil.
- the coil 21 can now be energized with an alternating current whose frequency is changed until the periodically attracted by the coil 21 in this way 1 in
- the pressure sensor By the means for exciting vibrations of the membrane, the pressure sensor as a self-calibrating
- the device for exciting vibrations of the membrane can also act on the membrane from the outside. This can be favorable in order to avoid or at least reduce signal couplings to the deflection sensors.
- the resonance frequency and the voltage T are also slightly dependent on the temperature. Therefore, in the
- a temperature sensor 24 may be provided. With the values measured by this temperature sensor, the previously determined value for the voltage T and / or the determined pressures can then be corrected, or the
- a corresponding characteristic can be stored in the computing device.
- the computing device of the pressure sensor is adapted to perform the calculation of the deflection A (O) in the middle of the membrane according to the relationship (17), wherein in equation (17) p t is generally the distance of the i th
- J 0 is the Bessel function of the first type with the index 0 and ß a constant that from the
- the boundary condition follows that the Bessel function has a zero at the edge of the membrane.
- Measurement errors are averaged. A weighted sum of the measured values is obtained.
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Abstract
The invention relates to a pressure sensor (10) that can both be easily calibrated and have a high measurement accuracy. The pressure sensor (10) comprises an elastically deformable membrane (1) that is fixed at the edge thereof and can be deflected on the basis of a pressure difference, and at least two deflection sensors, wherein the deflection sensors detect the deflection of surface regions of the membrane that are spaced differently with respect to the middle of the membrane. The pressure sensor comprises a calculating device which calculates a value for the pressure difference on the membrane out of a deflection in the middle of the membrane from the deflections detected by the deflection sensors.
Description
Anordnung und Verfahren zur kapazitiven Druckmessung Arrangement and method for capacitive pressure measurement
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein The invention relates to an arrangement and a
Verfahren zur kapazitiven Druckmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Kalibrierung von Drucksensoren. Method for capacitive pressure measurement. In particular, the invention relates to the calibration of pressure sensors.
Sensoren zur kapazitiven Druckmessung sind bekannt. So zeigt die DE 101 00 321 Al einen Drucksensor mit einerSensors for capacitive pressure measurement are known. Thus, DE 101 00 321 A1 shows a pressure sensor with a
Membran, die einen dielektrischen Abschnitt aufweist, der sich in einem Hohlraum in der Nähe von Kondensatorplatten bewegt. Wirkt ein Druck auf die Membran und damit den dielektrischen Abschnitt, so erfassen die A diaphragm having a dielectric portion that moves in a cavity near capacitor plates. If a pressure acts on the membrane and thus the dielectric section, then the
Kondensatorplatten diese Bewegung und erzeugen aufgrund der Veränderung der Kapazität ein elektrisches Ausgangssignal, das den von außen wirkenden Druck darstellt. Capacitor plates this movement and generate due to the change in capacitance, an electrical output signal that represents the external pressure.
Die DE 103 13 908 B3 zeigt einen Drucksensor mit einer leitfähigen ersten Elektrode und beabstandet von dieser eine gegenüberliegende Membran. Diese Membran umfasst eine zweite Elektrode oder wirkt selbst als zweite Elektrode.DE 103 13 908 B3 shows a pressure sensor with a conductive first electrode and spaced from this an opposite membrane. This membrane comprises a second electrode or acts as a second electrode itself.
Wenn ein äußerer Druck die Membran verformt, so wird die von den beiden Elektroden gebildete Kapazität verändert. Es wird ein die Kapazitätsänderung darstellendes Messsignal abgegriffen. Die Kapazitätsänderung stellt den äußerenWhen an external pressure deforms the membrane, the capacitance formed by the two electrodes is changed. A measuring signal representing the capacitance change is tapped. The capacity change represents the outer one
Druck dar. Pressure.
Um Drucksensoren, wie sie etwa aus den vorgenannten beiden Druckschriften bekannt sind, zu kalibrieren, kann eine Druck-Spannungs-Kennlinie durchgefahren werden. Dieses Verfahren ist aufwändig. Möglich wäre auch, eine In order to calibrate pressure sensors, as they are known for example from the aforementioned two documents, a pressure-voltage curve can be traversed. This process is complicated. It would also be possible to have one
vorgegebene Kennlinie zu verwenden. Hierbei besteht to use specified characteristic. This consists
BESTATIGUNGSKOPIE
allerdings das Problem, dass es aufgrund von BESTATIGUNGSKOPIE However, the problem that it is due to
Fertigungstoleranzen bei den Drucksensoren zu Abweichungen von der Kennlinie kommen kann, so daß die Messgenauigkeit des Drucksensors beeinträchtigt wird. Manufacturing tolerances in the pressure sensors may come to deviations from the characteristic, so that the measurement accuracy of the pressure sensor is impaired.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor bereitzustellen, der einerseits einfach zu kalibrieren ist und andererseits eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen It is therefore an object of the invention to provide a pressure sensor which on the one hand is easy to calibrate and on the other hand has a high accuracy of measurement. This task is governed by the subject matter of the independent
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Claims solved. Advantageous embodiments and
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Further developments of the invention are specified in the respective dependent claims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Kalibrierung der die Auslenkung einer Membran eines The invention is based on the finding that a calibration of the deflection of a membrane of a
Drucksensors messenden Sensoranordnung vereinfacht werden kann, wenn mehrere in einem Abstand zur Mittenachse der Membran messende Sensoren vorgesehen werden, welche die Auslenkung der Membran an den jeweiligen Orten bestimmen, wobei die gemessenen Abstands-, beziehungsweise Pressure sensor measuring sensor arrangement can be simplified if a plurality of measuring at a distance from the center axis of the membrane sensors are provided which determine the deflection of the membrane at the respective locations, wherein the measured distance, or
Auslenkungswerte auf die Auslenkung in der Mitte der Deflection values on the deflection in the middle of the
Membran zurückgerechnet werden. Membrane to be back-calculated.
Demgemäß ist ein Drucksensor vorgesehen, welcher eine elastisch deformierbare, an ihrem Rand fixierte, aufgrund einer Druckdifferenz auslenkbare Membran, sowie zumindest zwei Auslenkungssensoren umfasst, wobei die Accordingly, a pressure sensor is provided, which comprises an elastically deformable, fixed at its edge, deflectable due to a pressure difference membrane, as well as at least two displacement sensors, wherein the
Auslenkungssensoren die Auslenkung von jeweils zur Mitte der Membran beabstandeten, insbesondere jeweils Deflection sensors spaced the deflection of each of the center of the membrane, in particular in each case
unterschiedlich zur Mitte der Membran beabstandeten spaced apart from the center of the membrane
Flächenbereichen der Membran erfassen, und wobei der Cover surface areas of the membrane, and wherein the
Drucksensor eine Recheneinrichtung umfasst, welche aus den
von den Auslenkungssensoren erfassten Auslenkungen eine Auslenkung in der Mitte der Membran und daraus einen Wert für die auf der Membran lastende Druckdifferenz errechnet. Ein entsprechendes Verfahren zur Messung eines Drucks mittels des Drucksensors basiert darauf, die Auslenkung von jeweils unterschiedlich zur Mitte der Membran beabstandeten Flächenbereichen der Membran mittels der Pressure sensor comprises a computing device, which from the Displacements detected by the deflection sensors calculate a deflection in the middle of the membrane and from this a value for the pressure difference bearing on the membrane is calculated. A corresponding method for measuring a pressure by means of the pressure sensor based thereon, the deflection of each differently spaced from the center of the membrane surface areas of the membrane by means of
Auslenkungssensoren zu erfassen und mittels der To detect deflection sensors and by means of
Recheneinrichtung aus den von den Auslenkungssensoren erfassten Auslenkungen eine Auslenkung in der Mitte der Membran und daraus einen Wert für die auf der Membran lastende Druckdifferenz zu errechnen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Messung der Auslenkung alternativ oder zusätzlich in der Mitte der Membran vorgenommen werden. Calculation device from the deflections detected by the deflection sensors to calculate a deflection in the middle of the membrane and from it a value for the pressure difference on the diaphragm. According to a further embodiment of the invention, a measurement of the deflection can be made alternatively or additionally in the middle of the membrane.
Der Erfindung liegt außerdem die Erkenntnis zugrunde, dass sich Parameter, welche die Kennlinie des Sensors The invention is also based on the knowledge that there are parameters which the characteristic of the sensor
beeinflussen, in überraschender Weise durch eine einfache Vermessung der Resonanzschwingung der Membran des Surprisingly, by a simple measurement of the resonant vibration of the membrane of
Drucksensors ermitteln lassen. Eine solche Messung ist wiederum wesentlich schneller und einfacher zu realisieren, als eine aufwändige Vermessung einer Kennlinie bei Have the pressure sensor determined. Such a measurement is in turn much faster and easier to implement than a complex measurement of a characteristic
verschiedenen Drücken. different pressures.
Dazu ist ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors vorgesehen, wobei ein Drucksensor verwendet wird, welcher eine deformierbare, an ihrem Rand fixierte Membran, auf welche infolge eines zu messenden Drucks eine For this purpose, a method for calibrating a pressure sensor is provided, wherein a pressure sensor is used, which has a deformable, fixed at its edge membrane, on which as a result of a pressure to be measured
Druckdifferenz wirkt und zumindest einen Abstandssensor
umfasst, welcher ein dem Abstand der Membran an einem Pressure difference acts and at least one distance sensor which corresponds to the distance of the membrane to a
Bereich innerhalb des Randes zu einer der Membran Area within the border to one of the membrane
gegenüberliegenden Position entsprechendes Signal erzeugt, wobei die Membran in eine Resonanzschwingung versetzt und die Resonanzfrequenz dieser Resonanzschwingung gemessen wird, und wobei anhand dieser Resonanzfrequenz die opposite position generated corresponding signal, wherein the membrane is put into a resonant vibration and the resonant frequency of this resonant vibration is measured, and based on this resonant frequency the
mechanische Spannung bestimmt wird, welche den mechanical stress is determined which the
Proportionalitätsfaktor zwischen einer Auslenkung der Membran und einer auf die Membran wirkenden Kraft bestimmt oder beeinflusst, und wobei anhand des Proportionality factor between a deflection of the membrane and a force acting on the membrane is determined or influenced, and wherein based on the
Proportionalitätsfaktors eine Umrechnungsvorschrift Proportionality factor a conversion rule
erstellt wird, welche vom Abstandssensor gemessene Signale in eine auf die Membran wirkende Druckdifferenz is created, which signals measured by the distance sensor in a pressure difference acting on the membrane
transformiert. Bei der Messung der Resonanzschwingung wird ein bekannter Druck vorausgesetzt. Es bietet sich im transformed. When measuring the resonance vibration, a known pressure is assumed. It lends itself in the
Allgemeinen dabei an, die Kalibrierung in drucklosem Generally, the calibration in unpressurized
Zustand, bei welchem auf die Membran beiderseits gleiche Kräfte, beziehungsweise Drücke wirken, durchzuführen. Für die Analyse der Funktionalität eines Drucksensors kann das Wellenmodell einer schwingenden Kreismembran verwendet werden. Diese Membran wird auf einem feststehenden Ring mit dem Innenradius praax fixiert. Das physikalische Problem wird für den vereinfachten Fall kleiner Auslenkung gewöhnlich mit der partiellen Differentialgleichung Condition in which the same forces, or pressures act on the membrane on both sides to perform. For the analysis of the functionality of a pressure sensor, the wave model of a vibrating circular membrane can be used. This membrane is fixed on a fixed ring with the inner radius p raax . The physical problem usually becomes with the partial differential equation for the simplified case of small displacement
:D θ2A(p,φ) | dA(p,φ) | d2A(p,φ) = d2A(p,φ) : D θ 2 A (p, φ) | dA (p, φ) | d 2 A (p, φ) = d 2 A (p, φ)
dp2 p dp dφ v dt2 dp 2 p dp dφ v dt 2
beschrieben, wobei described, wherein
p,φ den Radius gemessen von der Mitte der Membran und den Azimuthwinkel bezeichnen, mithin also Polarkoordinaten
darstellen, t bezeichnet die Zeit und v die p, φ denote the radius measured from the center of the membrane and the azimuth angle, hence polar coordinates represent, t denotes the time and v the
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Propagation speed of the shaft.
Für die Geschwindigkeit der Welle in der Membran gilt ausserdem: For the velocity of the wave in the membrane also applies:
(2) v2=-(2) v 2 = -
Pmaterial Pmaterial
T bezeichnet hierbei die mechanische Spannung in Kraft pro Fläche (N/m2) und pMateriai den Massebelag oder die Dichte (kg/m3) . T designates the mechanical stress in force per area (N / m 2 ) and pM ater i a i the mass coating or the density (kg / m 3 ).
Die Membran ist am Rande gehaltert und/oder fixiert, beispielsweise auf einem festen Ring. Sowohl bei einer Schwingung in Resonanz, als auch bei einer Deformation aufgrund einer Druckbeaufschlagung ist daher die Auslenkung φ) beim Maximalradius pmaχ, welcher den Ort am fixierten Rand der Membran gemessen von der Mitte der The membrane is held on the edge and / or fixed, for example on a solid ring. Both at a vibration in resonance, as well as a deformation due to a pressurization is therefore the deflection φ) at the maximum radius p ma χ, which measured the location at the fixed edge of the membrane from the center of
Membran darstellt, immer gleich null. Unter Represents membrane, always equal to zero. Under
Berücksichtigung der Dirichletschen Randbedingung erhält man folgende allgemeine Lösung: Considering the Dirichlet boundary condition, one obtains the following general solution:
[3) A(p,t)=Amsiiύn{ßvt +/30)j0(ß,p) Dabei bezeichnet J0(ß,p) eine Besselfunktion erster [3) A (p, t) = A msii ύn {βvt + / 3 0 ) j 0 (β, p) where J 0 (β, p) denotes a Bessel function first
Gattung. ß,ß0 sind Konstanten, die sich aus den Nullstellen der Besselfunktion, beziehungsweise aus der Gleichung Genus. ß, ß 0 are constants that result from the zeroes of the Bessel function, or from the equation
(4) Λ(/?A„J=0
ergeben. (4) Λ (/? A "J = 0 result.
Die Besselfunktion weist mehrere Nullstellen auf, und die partielle Differentialgleichung besitzt somit auch mehrere Lösungen. Für einen messenden Drucksensor mit annähernd konstanter Flächenverteilung des Drucks p(p,φ)über der Membran kann die erste Nullstelle der Besselfunktion erster Gattung angesetzt werden. Es gilt dann: (5) ßpmax = 2.4048 The Bessel function has several zeros, and the partial differential equation thus has several solutions. For a measuring pressure sensor with an approximately constant area distribution of the pressure p (p, φ) over the membrane, the first zero point of the Bessel function of the first type can be used. The following then applies: (5) ßp max = 2.4048
Die Membran hat mehrere Eigenresonanzfrequenzen (Moden) . Für den oben geschilderten Fall genügt die Betrachtung der untersten Frequenz: The membrane has several natural resonance frequencies (modes). For the case described above, it suffices to consider the lowest frequency:
(6) ωres=ßv (6) ω res = βv
Nach Einsetzen in (2) folgt für die Spannung im After insertion into (2) follows for the stress in
Dies bedeutet, dass aus der gemessenen Resonanzfrequenz sowie den mit hinreichender Genauigkeit vorbekannten This means that from the measured resonance frequency as well as the previously known with sufficient accuracy
Konstanten die Spannung T und damit die rücktreibende Kraft der Membran bei gegebener Auslenkung mit einfachen Mitteln bestimmt werden kann. Die Spannung T setzt sich im Sinne der Erfindung dabei aus einer mechanischen Spannung Constants the tension T and thus the restoring force of the membrane at a given deflection can be determined by simple means. The voltage T is in the context of the invention in this case of a mechanical stress
einerseits und dem Elastizitätsmodul zusammen. Ist dieon the one hand and the elastic modulus together. Is the
Membran beispielsweise vollständig spannungslos fixiert, so
ist die Spannung T dem Elastizitätsmodul gleichzusetzen. Wird umgekehrt eine sehr dünne, leicht deformierbare Membrane, for example, completely tensionless fixed, so is the tension T equal to the elastic modulus. Conversely, a very thin, easily deformable
Membran verwendet, wird der Parameter T maßgeblich durch die anliegende mechanische Spannung bestimmt. Membrane used, the parameter T is significantly determined by the applied mechanical stress.
Demgemäß ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, einen Drucksensor mit einer kreisförmigen Accordingly, it is provided in a preferred embodiment of the invention, a pressure sensor with a circular
Membran zu verwenden und die Proportionalitätskonstante T anhand der Beziehung (7) zu ermitteln. Use membrane and determine the proportionality constant T by the relationship (7).
Allgemein liegt diesem Aspekt der Erfindung somit das In general, this aspect of the invention is thus the
Prinzip zugrunde, eine Eichung der Membraneigenschaften, beziehungsweise des Drucksensors anhand einer oder mehrerer Resonanzfrequenzen der Membran zu ermitteln. Principle underlying to determine a calibration of the membrane properties, or the pressure sensor based on one or more resonance frequencies of the membrane.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der The invention will be described in more detail below with reference to FIGS
beigeschlossenen Figuren erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen: enclosed figures explained. Here, the same reference numerals designate the same or similar elements. Show it:
Fig. 1 die ausgelenkte Membran eines Drucksensors. Fig. 1, the deflected membrane of a pressure sensor.
Fig. 2 einen Drucksensor mit kapazitiver Fig. 2 is a pressure sensor with capacitive
Auslenkungsmessung, deflection measurement,
Fig. 3 eine Anordnung zur Kalibrierung eines Drucksensors, 3 shows an arrangement for calibrating a pressure sensor,
Fig. 4 einen selbstkalibrierenden Sensor.
Fig. 1 zeigt die Membran 1 eines Drucksensors, welche an ihrem Rand, also an der Position mit dem Radius pmaχ gemessen von der Mittenachse 5 der Membran 1 festgehalten ist. Beispielsweise kann die Membran auf einem Ring 3 fixiert sein. Die Membran 1 ist aufgrund eines einwirkenden Drucks, beziehungsweise genauer einer Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten entlang der Mittenachse Fig. 4 is a self-calibrating sensor. 1 shows the membrane 1 of a pressure sensor, which is held at its edge, that is to say at the position with the radius p ma measured from the center axis 5 of the membrane 1. For example, the membrane may be fixed on a ring 3. The diaphragm 1 is due to an applied pressure, or more precisely a pressure difference between the two sides along the center axis
ausgelenkt. Die Auslenkung führt dazu, dass die Oberfläche der Membran am Rand gegenüber einer nicht ausgelenkten Position unter einem Winkel α verläuft. Aufgrund der elastischen Deformation wirkt der Druckdifferenz im deflected. The deflection causes the surface of the membrane at the edge opposite an undeflected position at an angle α. Due to the elastic deformation of the pressure difference acts in
Gleichgewicht eine Kraft F entgegen. Balance a force F contrary.
Für den Druck p und den Winkel α gilt folgende Beziehung: For the pressure p and the angle α, the following relationship holds:
.p . p = constTtan(α)∞constT α , p . p = constTtan (α) ∞constT α
Die Konstante const ergibt sich aus der Geometrie der The constant const results from the geometry of the
Membran. Bei kleinen Auslenkungen ist der Tangens Membrane. At small deflections is the tangent
vernachlässigbar, ebenso ist die Auslenkung A(p,φ) auf der Symmetrieachse proportional zum Winkel. negligible, as well as the deflection A (p, φ) on the axis of symmetry is proportional to the angle.
Die Membran wird durch den anliegenden Druck p gedehnt. Für die relative Längenausdehnung ΔL/L gilt:
The membrane is stretched by the applied pressure p. For the relative linear expansion ΔL / L the following applies:
Die Federkraft innerhalb der Membran ergibt sich dann zu:
dA(p,φ) The spring force within the membrane then results in: dA (p, φ)
(10a) F =2πph (10a) F = 2πph
dp dp
Dabei bezeichnet h die Dicke der Membran und p den Radius. Für die Änderung der Auslenkung mit dem Radius gilt für den Randbereich außerdem dA{p,φ) H denotes the thickness of the membrane and p the radius. For the change of the deflection with the radius also applies for the edge area dA {p, φ)
(10b) fA(O,φ) =+/-0.519, p = +/-pn (10b) f A (O, φ) = + / - 0.519, p = +/- p n
dp i Nach Beziehung (10b) kann die erste Ableitung der dp i According to equation (10b), the first derivative of the
Auslenkung nach dem Radius in Gleichung (10a) mittels der Deflection according to the radius in equation (10a) by means of
Kombiniert man Gleichung (10b) mit Gleichung (10a) unter Verwendung der Beziehung F = p#Am zwischen Druck p, Combining equation (10b) with equation (10a) using the relationship F = p # A m between pressure p,
Membranfläche Am und Federkraft F, erhält man als Beziehung zwischen dem auf der Membran lastenden Druck p, dem Membrane area A m and spring force F, is obtained as a relationship between the pressure on the diaphragm p, the
Membranradius pmaχ, der Auslenkung A(O,φ) im Zentrum der Membran und der durch Messung der Resonanzfrequenz Membrane radius p ma χ, the deflection A (O, φ) in the center of the membrane and by measuring the resonance frequency
bestimmten Spannung T: certain tension T:
(10c) p = ^^- h-T A{θ,φ) (10c) p = ^^ -h-T A {θ, φ)
Um jetzt einen auf die Membran einwirkenden Druck mit hoher Präzision als absolute Grosse zuverlässig zu messen, können zwei Schritte durchgeführt werden: In order to reliably measure a pressure acting on the membrane with high precision as absolute size, two steps can be carried out:
Erstens wird die Auslenkung A{P>Φ> im Zentrum der Membran am Ort der Mittenachse gemessen oder bestimmt und zweitens
wird A^P'Φ' mithilfe der Spannung T in einen Druck p unter Beachtung der Membrankonstanten umgerechnet. Die Konstanten können berechnet oder experimentell einmalig bestimmt werden. Da von einer kreisförmigen Membran ausgegangen wird, wird im Folgenden das Argument des Azimutwinkels ^ weggelassen. First, the deflection A {P>Φ> in the center of the membrane is measured or determined at the location of the center axis, and secondly A ^ P'Φ 'is converted by means of the voltage T into a pressure p taking into account the membrane constants. The constants can be calculated or experimentally determined once. Since a circular diaphragm is assumed, the argument of the azimuth angle weg is omitted below.
Die Konstante K auf der rechten Seite der Beziehung (10c) vor dem Produkt aus Spannung T und Auslenkung A(O,φ) , K = 0.519 , stellt einen Vorfaktor dar, welcher The constant K on the right side of the relationship (10c) before the product of voltage T and displacement A (O, φ), K = 0.519, represents a prefactor which
A^max A ^ max
gegebenenfalls von den entsprechend errechneten Werten abweichen kann, aber charakteristisch für einen bestimmten Membrantyp hinsichtlich des Membranmaterials, dessen Dicke und Durchmessers ist. Der Vorfaktor kann daher auch für einen bestimmten Membrantyp einmalig bestimmt und im folgenden der Kalibrierung mittels der Resonanzfrequenz zugrundegelegt werden. Gemäß einer bevorzugten may differ from the correspondingly calculated values, but characteristic of a particular type of membrane with respect to the membrane material, its thickness and diameter. The pre-factor can therefore also be determined once for a particular type of membrane and be based on the calibration of the resonance frequency in the following. According to a preferred
Weiterbildung der Erfindung erfolgt daher die Ermittlung des Drucks durch Multiplikation der ermittelten Spannung oder Proportionalitätskonstante T mit der gemessenen Further development of the invention, therefore, the determination of the pressure by multiplying the determined voltage or proportionality constant T with the measured
Auslenkung in der Mitte der Membran und einem zuvor Deflection in the middle of the membrane and a previously
ermittelten oder festgelegten Vorfaktor. determined or fixed factor.
Das Verfahren zur Kalibrierung des Sensors und der The procedure for calibrating the sensor and the
nachfolgenden Messung wird nachfolgend anhand eines The following measurement will be described below with reference to a
Drucksensors mit kapazitiven Auslenkungssensoren erläutert. Eine kapazitive Abstandsmessung wird bevorzugt, da diese sehr einfach zu realisieren ist. Prinzipiell können aber auch andere Meßverfahren zur Messung der Auslenkung der Membran implementiert werden. Beispielsweise sind optische, magnetische, piezoelektrische oder induktive
Abstandsmessungen denkbar. Bei den bevorzugten kapazitiven Auslenkungssensoren werden Spannungsänderungen anhand einer sich durch eine Auslenkung der Membran verursachten Pressure sensor with capacitive deflection sensors explained. A capacitive distance measurement is preferred because this is very easy to implement. In principle, however, other measuring methods for measuring the deflection of the membrane can also be implemented. For example, optical, magnetic, piezoelectric or inductive Distance measurements conceivable. In the preferred capacitive deflection sensors voltage changes are due to a caused by a deflection of the membrane
Änderung der Kapazität eines Kondensators, dessen eine Elektrode mit der Membran verbunden ist oder durch dieChange the capacitance of a capacitor whose one electrode is connected to the membrane or through the
Membran gebildet wird, erfasst. Um eine Spannungsänderung aufgrund einer Auslenkung der Membran zu erfassen, ist es dabei günstig, eine Brückenschaltung zu verwenden und hierzu eine weitere, konstante Kapazität in Serie zu schalten. Membrane is formed, captured. In order to detect a voltage change due to a deflection of the membrane, it is advantageous to use a bridge circuit and for this purpose to connect a further, constant capacitance in series.
Es ist allgemein außerdem bevorzugt, ringförmige It is also generally preferred to be annular
Meßbereiche zu verwenden, bei welchem die Auslenkungen von jeweils in Form sich ringförmig um die Mitte der Membran herum erstreckender Flächenbereiche der Membran erfasst werden. Im Falle kapazitiver Auslenkungssensoren können dazu in einfacher Weise von der Membran beabstandete, ringförmige Elektroden verwendet werden. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Drucksensors mit kapazitiven Auslenkungssensoren, welche Spannungsänderungen anhand einer sich durch eine Auslenkung der Membran To use measuring ranges, in which the deflections of each in the form of annularly around the center of the membrane around extending surface areas of the membrane are detected. In the case of capacitive deflection sensors, ring-shaped electrodes spaced apart from the membrane can be used for this purpose in a simple manner. Fig. 2 shows an embodiment of a pressure sensor with capacitive deflection sensors, which changes in voltage on the basis of a deflection of the membrane
verursachten Änderung der Kapazität eines Kondensators, dessen eine Elektrode mit der Membran verbunden ist oder durch die Membran gebildet wird, erfassen. caused change in the capacitance of a capacitor whose one electrode is connected to the membrane or is formed by the membrane detect.
Die Membran ist spannungsarm wie in Fig. 1 gezeigt mit einem in Fig. 2 nicht dargestellten starren Ring 3 The membrane is low in tension as shown in Fig. 1 with a rigid ring 3, not shown in Fig. 2
verbunden und erfüllt damit exakt die Dirichletsche connected and thus fulfilled exactly the Dirichletsche
Randbedingung. Die Membran 1 kann ein dielektrisches Boundary condition. The membrane 1 may be a dielectric
Material mit einer innen liegenden isolierten metallischen Schicht 11 umfassen oder selbst metallisch leitend sein.
Parallel und beabstandet zur Membran 1 ist ein Träger 13 (z.B ein Keramikträger oder eine Leiterplatte) angeordnet. Auf diesem befinden sich mehrere konzentrisch zur Comprise material with an internal insulated metallic layer 11 or be itself metallically conductive. Parallel to and spaced from the membrane 1, a carrier 13 (for example, a ceramic carrier or a printed circuit board) is arranged. On this are several concentric to
Mittenachse 5 angeordnete ringförmige Elektroden 6, 7, 8. Es ist eine ebene Gegenelektrode 15 vorgesehen, welche zu den ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 beabstandet und auf der gegenüberliegenden Seite der zur Membran weisenden Seite der ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 angeordnet ist. A flat counter electrode 15 is provided, which is spaced from the annular electrodes 6, 7, 8 and arranged on the opposite side of the membrane-facing side of the annular electrodes 6, 7, 8 ,
Zusätzlich kann eine Abschirmelektrode 17 vorgesehen werden, um die Störfestigkeit gegenüber elektrischen In addition, a shield electrode 17 may be provided to reduce immunity to electrical noise
Feldern zu verbessern. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind alle Elektroden 6, 7, 9, 15 und 17 auf, beziehungsweise im Träger 13 angeordnet. Es ist aber beispielsweise auch denkbar, eine Reihenschaltung von Kondensatoren anstelle mit einer Gegenelektrode 15 mit separaten, an die Improve fields. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2, all the electrodes 6, 7, 9, 15 and 17 are arranged on or in the carrier 13. But it is also conceivable, for example, a series circuit of capacitors instead of a counter electrode 15 with separate, to the
ringförmigen Elektroden angeschlossenen Kondensatoren durchzuführen, oder die Gegenelektrode 15 in Form To perform annular electrodes connected capacitors, or the counter electrode 15 in shape
einzelner, den jeweiligen ringförmigen Elektroden single, the respective annular electrodes
zugeordneter Elektroden aufzubauen. Zwischen der metallischen Schicht 11 der Membran 1 und der Gegenelektrode 15 kann nun eine Wechselspannung UO angelegt werden. Durch die Wechselspannung werden in den build associated electrodes. Between the metallic layer 11 of the membrane 1 and the counter electrode 15, an alternating voltage UO can now be applied. Due to the AC voltage in the
ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 mit den Radien pi annular electrodes 6, 7, 8 with the radii pi
Spannungen Ui induziert. Induced voltages Ui.
Die ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 bilden jeweils zusammen mit der metallischen Schicht 11 einerseits und der
Gegenelektrode 15 Kapazitäten, beziehungsweise Kondensatoren. Für jede der ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 ergibt sich eine Reihenschaltung der Kondensatoren, die aus Gegenelektrode und ringförmiger Elektrode und metallischer Schicht 11 und ringförmiger Elektrode gebildet werden. The annular electrodes 6, 7, 8 each form together with the metallic layer 11 on the one hand and the Counter electrode 15 capacitors, or capacitors. For each of the annular electrodes 6, 7, 8 results in a series circuit of the capacitors, which are formed of counter electrode and annular electrode and metallic layer 11 and annular electrode.
Die Feldlinien verlaufen weitgehend parallel, deshalb kann für die das Modell eines Plattenkondensators angewendet werden. Die betreffenden Kondensatoren werden mit Ci1 bzw. C21 bezeichnet. Die Kapazität der Kondensatoren C2i ist hierbei konstant, wohingegen die Kapazität der The field lines are largely parallel, therefore, for the model of a plate capacitor can be applied. The capacitors in question are denoted by Ci 1 or C 21 . The capacitance of the capacitors C 2 i is constant, whereas the capacitance of the
Kondensatoren Ci1 aufgrund des sich bei einer Auslenkung der Membran ändernden Abstands zwischen Ringelektrode und metallischer Schicht 11 veränderlich ist. Durch diese Capacitors Ci 1 is variable due to the changing in a deflection of the membrane distance between the ring electrode and the metallic layer 11. Through this
Anordnung können parasitäre Effekte bei der Messung Arrangement can parasitic effects in the measurement
berücksichtigt werden. be taken into account.
In der Notation wird im Folgenden das Argument φ In the notation, the argument φ
weggelassen, da diese Abhängigkeit für die betrachteten Falle nicht benotigt wird. omitted, since this dependency is not needed for the considered case.
Die Spannung Ui über den Kondensatoren Ci1 berechnet sich nach der sich aus der Reihenschaltung der Kondensatoren Ci1 und C21 folgenden Spannungsteilerregel zu:
The voltage Ui across the capacitors Ci 1 is calculated according to the voltage divider rule which follows from the series connection of the capacitors Ci 1 and C 21 :
Dabei bezeichnen ω die Kreisfrequenz der Wechselspannung, Ci1, C21 die Kapazitäten der Anordnung aus der Here denote ω the angular frequency of the AC voltage, Ci 1 , C 21, the capacities of the arrangement of the
Ringelektrode mit dem Index i und der metallischen Schicht 11, bzw. der Gegenelektrode 15.
Setzt man die Beziehungen der Kapazitäten für Ring electrode with the index i and the metallic layer 11, and the counter electrode 15th If one sets the relations of the capacities for
Plattenkondensatoren ein, ergibt sich aus Gleichung (11) : Plate capacitors, it follows from equation (11):
Ut {jώ) U t {jώ)
( 12 ) Un d{ +d2 / εr (12) U n d { + d 2 / ε r
Dabei bezeichnet εr die relative Dielektrizitätskonstante des Substrats, welche als Multiplikator in Kapazität der jeweils aus den Ringelektroden 6, 7, 8 und der In this case, ε r denotes the relative dielectric constant of the substrate, which as a multiplier in capacity of each of the ring electrodes 6, 7, 8 and the
Gegenelektrode 15 gebildeten Kondensatoren eingeht. Die Plattenabstände der Kondensatoren Cifi bzw. C2,i sind mit di, beziehungsweise d2 bezeichnet. Counter electrode 15 formed capacitors received. The plate spacings of the capacitors Ci f i and C 2 , i are denoted by di and d 2 , respectively.
Weiterhin gilt für die Abstände: (13) d,=A(pl)+A_off, Furthermore, for the distances: (13) d, = A (p l ) + A_off,
Dabei bezeichnet A_offi die Offsetverschiebung des i-ten Rings zur Ebene der Membran. Mit anderen Worten bezeichnet A_offi den Abstand des Kreisrings zur nicht ausgelenkten Membran. In this case, A_offi denotes the offset displacement of the ith ring to the plane of the membrane. In other words, A_offi denotes the distance of the annulus to the undeflected membrane.
Einsetzen der Gleichung (12) in Gleichung (13) und Auflösen nach A\pt ) ergibt: Substituting equation (12) into equation (13) and resolving after A \ p t ) yields:
(14) A(P1)=^ UXJω) -A off (14) A (P 1 ) = ^ UXJω) -A off
KPl) ε (U0 -U1Uω)) -JJ> K Pl) ε (U 0 -U 1 Uω)) - JJ>
Die Gleichung (14) kann für eine präzise Kalibrierung eingesetzt werden. Hierzu wird die Membran z.B. durch eine externe Schallwelle, oder magnetisch in harmonische Equation (14) can be used for a precise calibration. For this the membrane is e.g. by an external sound wave, or magnetic in harmonic
Schwingungen versetzt, und es werden die über den
Kondensatoren Cn auftretenden Spannungs- Zeitverläufe aufgezeichnet. Aus diesen Spannungs- .Zeitverläufen werden getrennt für jeden Kondensator die Spannungsminima und Maxima bestimmt, vorteilhaft können diese auch gemittelt werden. Die Differenz der minimalen und maximalen Vibrations offset, and it will be over the Capacitors Cn occurring voltage waveforms recorded. The voltage minima and maxima are determined separately for each capacitor from these voltage time courses. Advantageously, these can also be averaged. The difference of the minimum and maximum
Auslenkung ergibt die doppelte Amplitude, die Summe den doppelten Offset: Deflection gives twice the amplitude, the sum twice the offset:
(15a) 2Λ(p) =ä2 U'^ώ)^ d* U>(jώ)™" (15a) 2Λ (p) = 2 2 U '^ ώ) ^ d * U> ( jώ) ™ "
Kμ>) ε (U0-U,(jω)m!Α) ε (U0-U,(jω)m) Kμ>) ε (U 0 -U, (jω) m! Α ) ε (U 0 -U, (jω) m )
(15b) -IA off(15b) -IA off
Die nach (15) bestimmten Offsets können in (14) eingesetzt werden, das Verhältnis — stellt eine Substratkonstante ε The offsets determined according to (15) can be used in (14), the ratio - represents a substrate constant ε
dar und kann in guter Näherung als konstant angesehen werden. Die Substratkonstante steht sämtlichen Termen vor, so dass diese bei Bedarf auch nach der Kalibrierung der Empfindlichkeit eingesetzt werden kann. and can be considered as a good approximation as constant. The substrate constant is available in all terms so that it can be used after calibration of the sensitivity if required.
Nun soll ein aus drei Ringen bestehendes System betrachtet werden. Durch Differenzbildung aus den Signalen von jeweils zwei benachbarten Ringen erhält man aus (14):
Now consider a system consisting of three rings. By subtraction from the signals of two adjacent rings one obtains from (14):
J2 U 0 (U 3Ua)-U 2Un)) J 2 U 0 (U 3 U a) - U 2 Un ))
A(P3)- A(p2) = - ε(_Uo+UiUω)HUo_U2(j.ω)) A (P 3 ) -A (p 2 ) = -ε ( Uo + UiUω) HUo _U2 ( jω ))
(15d)
Die aus (15b) für jeden Ring bestimmten Offsets A_off i sind für eine ideale Ausführung des Druckmesskopfs, d.h. bei Parallelität von Membran und Elektrodenträger gleich. Wenn die Parallelität verletzt ist, wird die Kennlinie des Sensors nichtlinear. Deshalb ist die Varianz der gemessenen Offsets A_off i ein Maß für die Nichtlinearität des (15d) The offsets A_off i determined from (15b) for each ring are the same for an ideal design of the pressure measuring head, ie for parallelism of membrane and electrode carrier. If the parallelism is violated, the characteristic of the sensor becomes non-linear. Therefore, the variance of the measured offsets A_off i is a measure of the nonlinearity of the
Sensors . Sensors.
Ein besonders effizientes Maß für die Nichtlinearität kann aus dem Verhältnis der Amplitudendifferenzen gebildet werden: A particularly efficient measure of the non-linearity can be formed from the ratio of the amplitude differences:
A(p2)-A(Pl) (U2(J(O) -UxU ω)) (-U0 + U3Q ω)) A (p 2 ) -A ( P1 ) (U 2 (J (O) -U x U ω)) (-U 0 + U 3 Qω))
(15e) A(P3)"A(P2)~ (CZ0 - t/,0"ω)) (CZ3O'ω)-[/2C/"ω)) (15 e) A (P 3) "A (P 2) ~ (CZ 0 - t /, 0" ω)) (CZ 3 O 'ω) - [/ 2 C / "ω))
Dieses Verhältnis hängt nur von den mittleren Durchmessern Pir P2r P3 der Ringe ab. Wenn eine Winkelabweichung vorliegt, dann entsteht eine im Wesentlichen reproduzierbare This ratio depends only on the average diameters Pi r P2r P 3 of the rings. If there is an angular deviation, then a substantially reproducible arises
nichtlineare Kennlinie. non-linear characteristic.
(U2U ω)- U^ ω)) (-U0 + U3U ω)) (U 2 U ω) - U ^ ω)) (-U 0 + U 3 U ω))
K :=-• K: = - •
( U0-U1(Ja))(U3(J(O)- U2U ω)) (U 0 -U 1 (Yes)) (U 3 (J ( O) -U 2 U ω))
(15f! (15f!
Nach Messung des Verhältnisses K kann deshalb eine After measuring the ratio K can therefore be a
vordefinierte Kennlinie ausgewählt und der Sensor predefined characteristic curve selected and the sensor
korrigiert werden.
Deshalb ist es zweckmäßig, aus einer Menge mit Linearitätsfehlern behafteter Sensoren den für eine Getting corrected. Therefore, it is useful from a lot of linearity errors afflicted sensors for a
konkrete Konstruktion vorliegenden Zusammenhang zwischen der Spannungs/Druckkennlinie und dem Wert K zu bestimmen und in einer Datenbank abzulegen. In der Fertigung wird dann nur k berechnet. Im Speicher der Recheneinheit, beispielsweise eines angeschlossenen Mikrorechners wird dann die entsprechende oder einen Menge ähnlicher Concrete construction present relationship between the voltage / pressure characteristic and the value K to determine and store in a database. In production, only k is calculated. In the memory of the arithmetic unit, such as a connected microcomputer then the corresponding or a lot more similar
Kennlinien als Funktion des Parameters Kabgelegt, und anschließend die benötigte Kennlinie ausgewählt. Characteristic curves as a function of the parameter Cabled, and then the required characteristic is selected.
Der Wert K kann auch online durch Akkumulation von The value K can also be obtained online through accumulation of
Messwerten und/oder das Fitten von Kenngrössen und dem Aufzeichungsverhalten bestimmt werden. Wenn der Sensor z.B. durch Erwärmung mechanischen Spannungen ausgesetzt ist, kann sich der Wert K verändern. In diesem Fall kann die Kennlinie umgeschaltet, beziehungsweise allgemein an den geänderten Wert K angepasst werden. Hierzu ist es sinnvoll, K über einen längeren Zeitraum zu akkumulieren. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung der Drucksensor mit kapazitiven Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden in welche durch eine zwischen der Membran und einer Gegenelektrode angelegte Wechselspannung Uo der Frequenz jω Wechselspannungen Ui (jω), U2 (jω), U3 (jω) induziert werden, wobei als Messgrösse die Amplitude der induzierten Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird, eingerichtet, den Wert des Parameters K gemäß der oben angegebenen Gleichung (15f) zu bestimmen, eine Spannungs/Druckkennlinie anhand des Parameters K ZU
bestimmen, und nachfolgend Druckwerte anhand der bestimmten Kennlinie zu ermitteln. Measured values and / or the fitting of parameters and the recording behavior are determined. For example, if the sensor is exposed to mechanical stress due to heating, the value K may change. In this case, the characteristic can be switched, or generally adapted to the changed value K. For this it makes sense to accumulate K over a longer period of time. Accordingly, in the invention, the pressure sensor with capacitive deflection sensors with annular, concentric and arranged at a distance from the membrane annular electrodes in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency jω AC voltages Ui (jω), U 2 (jω ), U 3 (jω), where the amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors as a measured quantity, adapted to determine the value of the parameter K according to the equation (15f) given above, a voltage / pressure characteristic based on the parameter K TO determine and then determine pressure values based on the determined characteristic curve.
Anhand von Gleichung (15e) ist ferner ersichtlich, dass sich der vorstehend für kapazitive Auslenkungssensoren beschriebene Kalibrierungs- und Meßvorgang auch auf andere Auslenkungssensoren anwenden lässt, sofern mindestens drei zur Mitte der Membran beabstandete Auslenkungssensoren vorgesehen werden, von denen das Verhältnis der Differenzen der gemessenen Auslenkungen, beziehungsweise der die It is also apparent from equation (15e) that the calibration and measurement procedure described above for capacitive displacement sensors can also be applied to other displacement sensors, provided that at least three centerline diaphragm displacement sensors are provided, the ratio of the differences in the measured deflections , respectively the
Auslenkung repräsentierenden Messwerte gebildet werden kann. Dieses Verhältnis, entsprechend dem Parameter K wird dann verwendet, um eine Kennlinie zu bestimmen, etwa durch Auswahl aus einer abgespeicherten Liste von Verhältnissen. Ebenso ist es möglich, Veränderungen des Offsets, Displacement representative of measured values can be formed. This ratio, corresponding to the parameter K, is then used to determine a characteristic, such as by selection from a stored list of ratios. It is also possible to change the offset,
beziehungsweise des Abstands eines Kreisrings zur nicht ausgelenkten Membran A_off online zu bestimmen. Diese treten z.B. durch Temperaturänderung auf, Folge wäre eine Änderung der Empfindlichkeit des Sensors. Zur Korrektur wird zunächst die Auslenkung des innersten und des or to determine the distance of a circular ring to undeflected membrane A_off online. These occur e.g. due to temperature change, consequence would be a change in the sensitivity of the sensor. For correction, first the deflection of the innermost and the
nachfolgenden Rings betrachtet. considered subsequent ring.
( 15g) (15g)
d2 U2U ω) d 2 U 2 U ω)
-Vo(P2) = e ( U0 - U2U «>)) - A-Off -Vo (P 2 ) = e ( U 0 - U 2 U ")) - A - Off
( 15h) (15h)
Dieses Gleichungssystem kann nach A_off aufgelöst werden . Es ergibt sich :
( 15i ) This system of equations can be resolved to A_off. It follows: (15i)
A_off := d2 (-J0( P2) (/,0' ω) U0 + J0(P2) U1(J ω) CZ2O ω) + J0(Pl ) CZ2O" ω) CZ0 A_OFF: d = 2 (J 0 (P 2) (/ '0' ω) U 0 + J 0 (P 2) U 1 (J ω) ω CZ 2 O) + J 0 (Pl) CZ 2 O " ω) CZ 0
- J0(P1 ) CZ1O CO) CZ2O ω)) / (ε (-J0(p2) U0 + J0(P2) U0 U2(J (O) - J 0 (P 1 ) CZ 1 O CO) CZ 2 O ω)) / (ε (-J 0 (p 2 ) U 0 + J 0 (P 2 ) U 0 U 2 (J (O)
+ J0(P2) CZ1O CU ) CZ0 - J0(P2) c/ O ω) cz2θ ω) + J0(Pl ) czo 2 - Jo(Pl ) cz.o ω) c/0 + J 0 (P 2 ) CZ 1 O CU) CZ 0 - J 0 (P 2 ) c / O ω) cz 2 θ ω) + J 0 ( Pl ) cz o 2 - J o ( Pl ) cz.o ω ) c / 0
-J0(P1) U2(Jω) CZ0 +J0(P1) CZ1OCO)CZ2OCO))) -J 0 (P 1 ) U 2 (Jω) CZ 0 + J 0 (P 1 ) CZ 1 OCO) CZ 2 OCO)))
Zu beachten ist, daß die Besselfunktion J0(P2) nicht zu klein werden sollte, weil dann die Messgenauigkeit sinkt. Deshalb wählt man, wie anhand der Gleichungen (15g) bis (15i) ersichtlich, zweckmäßig den innersten und den nachfolgenden Ring mit den Radien pi und p∑. Dies bedeutet, dass auch während des Betriebes der A_off bestimmt werden kann. Dazu wird über einen längeren Zeitraum A_off It should be noted that the Bessel function J 0 (P 2 ) should not be too small, because then the measurement accuracy decreases. Therefore, as can be seen from equations (15g) to (15i), it is convenient to choose the innermost and the subsequent ring with the radii pi and pΣ . This means that the A_off can also be determined during operation. This is done over a longer period A_off
akkumuliert. Anschließend wird A_off in der Recheneinheit, beispielsweise einem im Sensor integrierten Mikrorechner korrigiert. Eine weitere Möglichkeit, den Wert A_off online zu bestimmen, besteht darin, den Messwert, accumulated. Subsequently, A_off is corrected in the arithmetic unit, for example a microcomputer integrated in the sensor. Another way to determine the A_off value online is to read the reading,
vorzugsweise über dem größten Ring mit dem Meßwert über einem kapazitiven Spannungsteiler zu vergleichen und aus der Spannungsdifferenz auf A_off zu schließen. preferably over the largest ring to compare with the measured value over a capacitive voltage divider and to close from the voltage difference to A_off.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung ist daher der Drucksensor mit Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden ausgestattet, in welche durch eine zwischen der Membran und einer Gegenelektrode angelegte Wechselspannung Uo der Frequenz jω Wechselspannungen According to a further development of the invention, therefore, the pressure sensor is provided with deflection sensors with annular, concentric and spaced from the membrane annular electrodes, in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency jω AC voltages
Ul (jω), U2(jω), U3(jω) induziert werden, wobei als Ul (jω), U2 (jω), U3 (jω) are induced as
Messgrösse die Amplitude der induzierten Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird, und wobei die
Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Abstand A_off zwischen den ringförmigen Elektroden zur Membran anhand von Gleichung (15i), in welcher wieder J0 eine Besselfunktion, Pi und p2 die mittleren Radien der kleineren der drei ringförmigen Elektroden, Ui und U2 die in diese Measured variable, the amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors, and wherein the Calculator is adapted to the distance A_off between the annular electrodes to the membrane by equation (15i), in which again J 0 a Bessel function, Pi and p 2, the mean radii of the smaller of the three annular electrodes, Ui and U 2 in this
ringförmigen Elektroden induzierten Wechselspannungen, ε die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen der Gegenelektrode und den ringförmigen Elektroden, und Uo die angelegte Wechselspannung bezeichnen, und/oder durch ε, the dielectric constant of the material between the counter electrode and the annular electrodes, and Uo denote the applied AC voltage, and / or by
Messung der Spannungsdifferenz der induzierten Measurement of the voltage difference of the induced
Wechselspannung an zumindest einer der ringförmigen AC voltage on at least one of the annular
Elektrode und einem kapazitiven Spannungsteiler zu Electrode and a capacitive voltage divider too
ermitteln. determine.
In der Ausführungsform der Erfindung mit kapazitiven In the embodiment of the invention with capacitive
Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten Elektroden werden im Speziellen durch die zwischen der Membran und einer Auslenkungssensoren with annular, concentric and spaced from the membrane electrodes are in particular by the between the membrane and a
Gegenelektrode angelegte Wechselspannung U0 Counterelectrode applied AC voltage U 0
Wechselspannungen Ui induziert, wobei als Messgrösse die Amplitude der induzierten Wechselspannung von den AC voltages Ui induced, wherein as a measure of the amplitude of the induced AC voltage of the
Auslenkungssensoren erfasst wird, und wobei die Auslenkung A(P1) und der Abstand A_offi des i-ten Kreisrings zur nicht ausgelenkten Membran anhand der Beziehungen (15a) und (15b) bestimmt werden, wobei pt den Radius der i-ten ringförmigen Elektrode, d2 den Abstand der i-ten ringförmigen Elektrode zur Gegenelektrode und ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen der i-ten ringförmigen Elektrode und der Gegenelektrode bezeichnen. Deflection sensors is detected, and wherein the deflection A (P 1 ) and the distance A_offi of the ith annulus to the undeflected membrane are determined by the relationships (15a) and (15b), where p t is the radius of the i-th annular electrode , d 2 denotes the distance of the i-th annular electrode to the counter electrode and ε the dielectric constant of the medium between the i-th annular electrode and the counter electrode.
Allgemein gesprochen wird mit der vorstehend beschriebenen Kalibrierung die tatsächliche Auslenkung als Funktion der
von den Auslenkungssensoren erfassten Messgröße erhalten, wobei die Messgröße im Falle der kapazitiven Generally speaking, with the calibration described above, the actual displacement as a function of obtained by the displacement sensors measured variable, the measured variable in the case of capacitive
Auslenkungssensoren durch die Amplitude der induzierten Wechselspannung gegeben ist. Es ist klar, dass sich diese Kalibrierung aber auch auf Auslenkungssensoren übertragen lässt, welche auf anderen Messprinzipien basieren. Deflection sensors is given by the amplitude of the induced AC voltage. It is clear, however, that this calibration can also be transferred to deflection sensors based on other measurement principles.
Demgemäß ist in allgemeinerer Weiterbildung der Erfindung ein Verfahren zur Druckmessung vorgesehen, bei welchem die Membran in harmonische Schwingungen versetzt, die Werte der Messgröße der Auslenkungssensoren an den Auslenkungsmaxima der Membran bestimmt und anhand dieser Werte der Messgröße eine Kalibrierung der Auslenkung der Membran in Accordingly, in a more general development of the invention, a method for pressure measurement is provided, in which the membrane is set into harmonic oscillations, the values of the measured variable of the deflection sensors are determined at the deflection maxima of the membrane and, based on these values of the measured variable, a calibration of the deflection of the membrane in FIG
Abhängigkeit des Werts der Messgröße vorgenommen wird. Dependence of the value of the measured variable is made.
Insbesondere kann dabei eine Kalibrierung gemäß Gleichung (10c) wie oben beschrieben durchgeführt werden. In particular, a calibration according to equation (10c) can be carried out as described above.
Die Anregung der Resonanzschwingung kann in einer externen Vorrichtung, wie etwa einem Kundschen Rohr erfolgen. Fig. 3 zeigt schematisch eine solche Anordnung zur Kalibrierung. The excitation of the resonant vibration may be in an external device, such as a Kundschen tube. Fig. 3 shows schematically such an arrangement for calibration.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist der Lautsprecher 19 in As shown in FIG. 3, the speaker 19 is in
Längsrichtung verschiebbar in einem Kundtschen Rohr 18 angeordnet. Durch eine Verschiebung des Lautsprechers 19 im Kundtschen Rohr 18 wird erreicht, dass sich im Kundtschen Rohr eine stehende Welle ausbildet. Dies führt dazu, dass bei definiertem Abstand zwischen der Öffnung des Kundtschen Rohrs 18 und dem vor der Öffnung angeordneten Drucksensors 10 ein konstanter Schalldruck auf die Membran 1 des Slidably disposed longitudinally in a Kundt tube 18. By shifting the loudspeaker 19 in the Kundt tube 18 it is achieved that a standing wave is formed in the Kundt tube. As a result, at a defined distance between the opening of the Kundt tube 18 and the pressure sensor 10 arranged in front of the opening, a constant sound pressure is applied to the membrane 1 of the
Drucksensors 10 wirkt. Ferner kann die Phase und über die Frequenz der abgestrahlten Schallwellen die
Resonanzfrequenz der Anordnung 10 abgeglichen werden. Aus der Resonanzfrequenz, dem Durchmesser, der Dicke und dem Elastizitätsmodul der Membran kann deren Empfindlichkeit errechnet werden. Pressure sensor 10 acts. Furthermore, the phase and the frequency of the radiated sound waves, the Resonance frequency of the assembly 10 are aligned. From the resonance frequency, the diameter, the thickness and the modulus of elasticity of the membrane, its sensitivity can be calculated.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Drucksensor 10 selbst mit einer Einrichtung zur Anregung von Schwingungen der Membran 1 versehen sein. Fig. 4 zeigt schematisch einen Drucksensor 10 mit einer solchen Einrichtung zur Anregung von Schwingungen der Membran 1 in Gestalt einer Spule 21. Die Spule 21 ist in diesem Beispiel mittig zur Membran auf dem Träger 13 angeordnet, auf dem sich auch die ringförmigen Elektroden 6, 7, 8 befinden. Um über das von der Spule mittels eines Stroms erzeugten Magnetfeld eine Kraft auf die Membran ausüben zu können, ist die Membran hier mit einem magnetisierbaren Material zumindest im Bereich des Feldes der Spule ausgestattet. Die Spule 21 kann nun mit einem Wechselstrom erregt werden, dessen Frequenz verändert wird, bis die auf diese Weise periodisch von der Spule 21 angezogene Membran 1 in According to yet another embodiment of the invention, the pressure sensor 10 itself may be provided with means for exciting vibrations of the diaphragm 1. 4 shows schematically a pressure sensor 10 with such a device for exciting vibrations of the membrane 1 in the form of a coil 21. The coil 21 is in this example arranged centrally to the membrane on the support 13, on which also the annular electrodes 6, 7, 8 are located. In order to be able to exert a force on the membrane via the magnetic field generated by the coil by means of a current, the membrane is here provided with a magnetizable material at least in the region of the field of the coil. The coil 21 can now be energized with an alternating current whose frequency is changed until the periodically attracted by the coil 21 in this way 1 in
Resonanzschwingung gerät. Alternativ sind beispielsweise auch piezoelektrische Resonance vibration device. Alternatively, for example, piezoelectric
Aktoren zur Schwingungserregung der Membran 1 möglich. Actuators for vibration excitation of the membrane 1 possible.
Durch die Einrichtung zur Anregung von Schwingungen der Membran kann der Drucksensor als selbstkalibrierender By the means for exciting vibrations of the membrane, the pressure sensor as a self-calibrating
Sensor ausgestattet sein, der sich im Feldeinsatz, Sensor equipped in field use,
beispielsweise in festgelegten Intervallen gesteuert durch die Recheneinrichtung 9 selbst kalibriert. Anders als in
Fig. 4 dargestellt, kann die Einrichtung zur Anregung von Schwingungen der Membran auch von aussen auf die Membran einwirken. Dies kann günstig sein, um Signaleinkopplungen auf die Auslenkungssensoren zu vermeiden oder zumindest zu verringern. for example, calibrated at fixed intervals controlled by the computing device 9 itself. Unlike in 4, the device for exciting vibrations of the membrane can also act on the membrane from the outside. This can be favorable in order to avoid or at least reduce signal couplings to the deflection sensors.
Weiterhin sind die Resonanzfrequenz und die Spannung T auch leicht von der Temperatur abhängig. Daher kann im Furthermore, the resonance frequency and the voltage T are also slightly dependent on the temperature. Therefore, in the
Drucksensor in vorteilhafter Weise wie in Fig. 2 gezeigt, ein Temperatursensor 24 vorgesehen werden. Mit den von diesem Temperatursensor gemessenen Werten können dann der zuvor ermittelte Wert für die Spannung T und/oder die ermittelten Drücke korrigiert, beziehungsweise die Pressure sensor in an advantageous manner as shown in Fig. 2, a temperature sensor 24 may be provided. With the values measured by this temperature sensor, the previously determined value for the voltage T and / or the determined pressures can then be corrected, or the
temperaturabhängige Änderung der Spannung T in die temperature-dependent change of the voltage T in the
Berechnung des Druckes durch die Recheneinrichtung Calculation of the pressure by the computing device
einbezogen werden. Dazu kann in der Recheneinrichtung beispielsweise eine entsprechende Kennlinie abgespeichert sein. be included. For this purpose, for example, a corresponding characteristic can be stored in the computing device.
Im Echtzeitbetrieb können die Auslenkungen für jeden Radius pi . nach (14) berechnet und der Offset subtrahiert werden. In real-time operation, the deflections for each radius pi. calculated according to (14) and the offset subtracted.
Unter anderem aus konstruktiven Gründen hat es sich als günstiger erwiesen, die Auslenkung auf der Achse A(0,0) nicht direkt zu messen, weshalb erfindungsgemäß die Among other things, for constructive reasons, it has proved to be cheaper, the deflection on the axis A (0,0) not directly to measure, which is why the invention
Auslenkung jeweils unterschiedlich zur Mitte der Membran beabstandeter Flächenbereichen der Membran erfasst wird. Es ist hierbei günstig, die Messungen durch einen Deflection is respectively detected differently from the center of the membrane spaced surface areas of the membrane. It is favorable, the measurements by a
Bestfitalgorithmus zusammenzufassen. Es ist dabei die
Auslenkung A(O) gesucht, die den kleinsten mittleren quadratischen Fehler σ erzeugt:
Summarize bestfitalgorithm. It is the Deflection A (O) is sought, which produces the smallest mean squared error σ :
Nach Differentiation von (16) und Lösen der Gleichung erhält man folgende Auslenkung A(O) für den kleinsten quadratischen Fehler: After differentiation of (16) and solving the equation, one obtains the following displacement A (O) for the smallest quadratic error:
∑JO(Pp1) A(P1) ΣJO (Pp 1 ) A (P 1 )
[H)A(O)= [H) A (O) =
∑JOißp,)2 ΣJOissp,) 2
Mit anderen Worten ist also gemäß dieser Weiterbildung die Recheneinrichtung des Drucksensors dazu eingerichtet, die Errechnung der Auslenkung A(O) in der Mitte der Membran entsprechend der Beziehung (17) durchzuführen, wobei in Gleichung (17) pt allgemein den Abstand des i-ten In other words, according to this development, the computing device of the pressure sensor is adapted to perform the calculation of the deflection A (O) in the middle of the membrane according to the relationship (17), wherein in equation (17) p t is generally the distance of the i th
Auslenkungssensors von der Mitte der Membran, A(pt) dieDisplacement sensor from the center of the diaphragm, A (p t ) the
Auslenkung der Membran am Messort des i-ten Deflection of the membrane at the location of the i-th
Auslenkungssensors, J0 die Besselfunktion erster Gattung mit dem Index 0 und ß eine Konstante, die aus der Deflection sensor, J 0 is the Bessel function of the first type with the index 0 and ß a constant that from the
Randbedingung folgt, dass die Besselfunktion am Rand der Membran eine Nullstelle hat, bezeichnen. The boundary condition follows that the Bessel function has a zero at the edge of the membrane.
Der Vorteil dieser Berechnungsmethode besteht darin, dass insbesondere durch Montagetoleranzen hervorgerufene The advantage of this calculation method is that caused in particular by mounting tolerances
Messfehler gemittelt werden. Man erhält eine gewichtete Summe der Messwerte.
Measurement errors are averaged. A weighted sum of the measured values is obtained.
Claims
1. Drucksensor, umfassend eine elastisch 1. Pressure sensor comprising an elastic
deformierbare, an ihrem Rand fixierte und aufgrund einer Druckdifferenz auslenkbare Membran, sowie zumindest zwei Auslenkungssensoren, wobei die Auslenkungssensoren die Auslenkung von jeweils unterschiedlich zur Mitte der Membran beabstandeten Flächenbereichen der Membran erfassen, und wobei der Drucksensor eine Recheneinrichtung umfasst, welche aus den von den Auslenkungssensoren deformable, fixed at its edge and deflectable due to a pressure difference membrane, and at least two deflection sensors, wherein the deflection sensors detect the deflection of each differently from the center of the membrane spaced surface areas of the membrane, and wherein the pressure sensor comprises a computing device, which from the of the deflection sensors
erfassten Auslenkungen eine Auslenkung in der Mitte der Membran und daraus einen Wert für die auf der Membran lastende Druckdifferenz errechnet. detected deflections a deflection in the middle of the membrane and from this a value for the pressure on the diaphragm pressure difference calculated.
2. Drucksensor gemäß dem vorstehenden Anspruch, 2. Pressure sensor according to the preceding claim,
dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Auslenkung der Membran in der Mitte durch einen Bestfit-Algorithmus aus den von den Auslenkungssensoren erfassten characterized in that the computing means is adapted to the deflection of the membrane in the middle by a bestfit algorithm from the detected by the deflection sensors
Auslenkungen zu errechnen. Calculate deflections.
3. Drucksensor gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Membran kreisförmig ist und wobei die 3. Pressure sensor according to the preceding claim, wherein the membrane is circular and wherein the
Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, die Computing device is set up to the
Errechnung der Auslenkung A(O) in der Mitte der Membran entsprechend folgender Beziehung Calculation of the deflection A (O) in the middle of the membrane according to the following relationship
wobei pt den Abstand des i-ten Auslenkungssensors von der Mitte der Membran, A(p,) die Auslenkung der Membran am Messort des i-ten Auslenkungssensors, Jo die Besselfunktion erster Gattung mit dem Index 0 und ß eine Konstante, die aus der Randbedingung folgt, dass die Besselfunktion am Rand der Membran eine Nullstelle hat, bezeichnen. where p t is the distance of the ith displacement sensor from the center of the diaphragm, A (p,) the displacement of the Membrane at the measuring location of the ith displacement sensor, Jo the Bessel function of the first type with the index 0 and ß a constant that follows from the boundary condition that the Bessel function has a zero at the edge of the membrane.
4. Drucksensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch kapazitive 4. Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized by capacitive
Auslenkungssensoren, welche Spannungsänderungen anhand einer sich durch eine Auslenkung der Membran verursachten Änderung der Kapazität eines Deflection sensors, which changes in voltage on the basis of a change in the capacitance caused by a deflection of the membrane
Kondensators, dessen eine Elektrode mit der Membran verbunden ist oder durch die Membran gebildet wird. Capacitor whose one electrode is connected to the membrane or is formed by the membrane.
5. Drucksensor gemäß vorstehendem Anspruch, wobei die Auslenkung der Membran mit kapazitiven 5. Pressure sensor according to the preceding claim, wherein the deflection of the membrane with capacitive
Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden gemessen wird, in welche durch eine zwischen der Membran und einer Displacement sensors with annular, concentric and spaced from the membrane annular electrodes is measured, in which by a between the membrane and a
Gegenelektrode angelegte Wechselspannung U0 der Frequenz jω Wechselspannungen Ui ( jω) , U2 (jω), U3 (jω) induziert werden, wobei als Messgrösse die Alternating voltage U 0 of the frequency jω alternating voltages Ui (jω), U 2 (jω), U 3 (jω) are induced, the measured variable being the
Amplitude der induzierten Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird, und wobei die Amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors, and wherein the
Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den Wert eines Parameters K gemäß der Gleichung Computing device is adapted to the value of a parameter K according to the equation
( U2(J- CO) - U1U ω)) (-t/0 + C/3(/ ω)) (U 2 (JCO) - U 1 U ω)) (-t / 0 + C / 3 (/ ω))
K :" ~ ( CZ0 - U1U ω)) ( CZ3C/ ω) - U2U ω)) zu bestimmen, eine Spannungs/Druckkennlinie anhand des Parameters K zu bestimmen, und nachfolgend Druckwerte anhand der bestimmten Kennlinie zu ermitteln. K : "~ (CZ 0 - U 1 U ω)) (CZ 3 C / ω) - U 2 U ω)) to determine a voltage / pressure characteristic of the parameter K, and subsequently to determine pressure values based on the determined characteristic curve.
6. Drucksensor gemäß einem der beiden vorstehenden 6. Pressure sensor according to one of the two preceding
Ansprüche, wobei die Auslenkung der Membran mit kapazitiven Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden gemessen wird, in welche durch eine zwischen der Membran und einer Gegenelektrode angelegte Wechselspannung Uo der Frequenz jω Wechselspannungen Ui (jω), U2 (jω), U3 (jω) induziert werden, wobei als Messgrösse die Claims, wherein the deflection of the membrane with capacitive deflection sensors with annular, concentric and arranged at a distance from the membrane annular electrodes is measured, in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency jω AC voltages Ui (jω), U 2nd (jω), U 3 (jω) are induced, the measured variable being the
Amplitude der induzierten Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird. Amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors.
7. Drucksensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit Auslenkungssensoren mit ringförmigen, 7. Pressure sensor according to one of the preceding claims, with deflection sensors with annular,
konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden ausgestattet, in welche durch eine zwischen der Membran und einer Gegenelektrode angelegte Wechselspannung Uo der Frequenz jω Wechselspannungen Ul (jω), U2(jω), concentric and arranged at a distance from the membrane annular electrodes, in which by an applied between the membrane and a counter electrode AC voltage Uo the frequency jω AC voltages Ul (jω), U2 (jω),
U3(jω) induziert werden, wobei als Messgrösse die Amplitude der induzierten Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird, und wobei die Recheneinrichtung dazu eingerichtet ist, den U3 (jω) are induced, wherein the amplitude of the induced AC voltage is detected by the displacement sensors as a measured variable, and wherein the computing device is adapted to the
Abstand A_off zwischen den ringförmigen Elektroden zur Membran anhand der Gleichung A_off :=d2 (-J0(P2) U1(J (O) U0 + J0(P2) UxU (O) U2(J ω) + J0(P1 ) U2(J (O) U0 Distance A_off between the annular electrodes to the membrane by the equation A_off: = d 2 (-J 0 (P 2 ) U 1 (J (O) U 0 + J 0 (P 2 ) U x U (O) U 2 (J ω) + J 0 (P 1 ) U 2 (J (O) U 0
- J0(P1 ) UxU (O) u2u (o)) / (ε (-J0(P2) U0 2 + J0(P2) t/0 t/2(/ ω)- J 0 (P 1 ) U x U (O) u 2 u (o)) / (ε (-J 0 (P 2 ) U 0 2 + J 0 (P 2 ) t / 0 t / 2 (/ ω )
+ -Z0(P2) f/.O' ω) U0 - J0(P2) U1U (O) U2U (O) + J0(P1 ) U0 - J0(Px ) UxU ω) U0 - J0(P1 ) U2U (O) U0 + J0(Px ) UxU (o) U2U (O))) + -Z 0 (P 2 ) f / .O ' ω) U 0 - J 0 (P 2 ) U 1 U ( O) U 2 U (O) + J 0 (P 1 ) U 0 - J 0 (P x ) U x U ω) U 0 - J 0 (P 1 ) U 2 U (O) U 0 + J 0 (P x ) U x U ( o) U 2 U (O)))
in welcher Jo eine Besselfunktion, pi und p2 die in which Jo is a Bessel function, pi and p 2 the
mittleren Radien der kleineren der drei middle radii of the smaller of the three
ringförmigen Elektroden, Ui und U2 die in diese annular electrodes, Ui and U 2 in this
ringförmigen Elektroden induzierten induced ring-shaped electrodes
Wechselspannungen, ε die Dielektrizitätskonstante Alternating voltages, ε the dielectric constant
des Materials zwischen der Gegenelektrode und den of the material between the counter electrode and the
ringförmigen Elektroden, und Uo die angelegte annular electrodes, and Uo the applied
Wechselspannung bezeichnen, Designate AC voltage,
und/oder durch Messung der Spannungsdifferenz der and / or by measuring the voltage difference of
induzierten Wechselspannung an zumindest einer der ringförmigen Elektrode und einem kapazitiven induced AC voltage on at least one of the annular electrode and a capacitive
Spannungsteiler zu ermitteln. Determine voltage divider.
8. Verfahren zur Messung eines Drucks mittels eines 8. Method for measuring a pressure by means of a
Drucksensors, welcher eine elastisch deformierbare, an ihrem Rand fixierte und aufgrund einer Pressure sensor, which has an elastically deformable, fixed at its edge and due to a
Druckdifferenz auslenkbare Membran, sowie zumindest zwei Auslenkungssensoren umfasst, wobei die Pressure difference deflectable membrane, and at least two deflection sensors, wherein the
Auslenkungssensoren die Auslenkung von jeweils Deflection sensors the deflection of each
unterschiedlich zur Mitte der Membran beabstandeten spaced apart from the center of the membrane
Flächenbereichen der Membran erfassen, und wobei Cover surface areas of the membrane, and wherein
der Drucksensor eine Recheneinrichtung umfasst, mit welcher aus den von den Auslenkungssensoren the pressure sensor comprises a computing device with which of the deflection sensors
erfassten Auslenkungen eine Auslenkung in der Mitte der Membran und daraus einen Wert für die auf der detected deflections a deflection in the middle of the membrane and from this a value for on the
Membran lastende Druckdifferenz errechnet wird. Membrane load bearing pressure difference is calculated.
9. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, bei welchem die Membran in harmonische Schwingungen versetzt, die Werte der von den Auslenkungssensoren gemessenen Messgröße an den Auslenkungsmaxima der Membran bestimmt und anhand dieser Werte der 9. Method according to the preceding claim, in which the diaphragm is harmonically oscillated, the values of the measured variable measured by the deflection sensors are determined at the deflection maxima of the diaphragm and, on the basis of these values
Messgröße eine Kalibrierung der Auslenkung der Membran in Abhängigkeit des Werts der Messgröße vorgenommen wird. Measured variable is carried out a calibration of the deflection of the membrane as a function of the value of the measured variable.
10. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Auslenkung der Membran mit kapazitiven 10. The method according to the preceding claim, wherein the deflection of the membrane with capacitive
Auslenkungssensoren mit ringförmigen, konzentrisch und in einem Abstand zur Membran angeordneten ringförmigen Elektroden gemessen wird, in welche durch eine zwischen der Membran und einer Displacement sensors with annular, concentric and spaced from the membrane annular electrodes is measured, in which by a between the membrane and a
Gegenelektrode angelegte Wechselspannung Uo Counterelectrode applied AC voltage Uo
Wechselspannungen U1 induziert werden, wobei als Messgrösse die Amplitude der induzierten AC voltages U 1 are induced, wherein the measured variable is the amplitude of the induced
Wechselspannung von den Auslenkungssensoren erfasst wird, und wobei die Auslenkung A(pt) und der AbstandAC voltage is detected by the displacement sensors, and wherein the deflection A (p t ) and the distance
A_offi des i-ten Kreisrings zur nicht ausgelenkten Membran anhand der Beziehungen A_offi of the i-th annulus to the undeflected membrane by relationships
2A(P1) =^ UXJω)- ^- UXJω)™ , und 2A (P 1 ) = ^ UXJω) - ^ - UXJω) ™ , and
ε {U0-UXJώ)mm) ε (U0-U,Uω)mm) ε {U 0 -UXJώ) mm ) ε (U 0 -U, Uω) mm )
_ U2 U,(Jω\ U,Uω\ _ U 2 U, (Jω \ U, Uω \
-2A_off, = -2A_off, =
ε (U0-U,(jω)max) ε (U0-U1(jω)mn) ε (U 0 -U, (jω) max ) ε (U 0 -U 1 (jω) mn )
bestimmt wird, it is determined
wobei P1 den Radius der i-ten ringförmigen where P 1 is the radius of the ith annular
Elektrode, d2 den Abstand der i-ten ringförmigen Elektrode zur Gegenelektrode und ε die Electrode, d 2 the distance of the ith annular electrode to the counter electrode and ε the
Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen der i-ten ringförmigen Elektrode und der Gegenelektrode bezeichnen. Dielectric constant of the medium between the ith annular electrode and the counter electrode describe.
11. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Kalibrierung die Membran bei bekannter Druckdifferenz in eine Resonanzschwingung versetzt und die Resonanzfrequenz dieser Resonanzschwingung gemessen wird, und wobei anhand dieser 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein for calibration, the diaphragm is set at a known pressure difference in a resonant vibration and the resonance frequency of this resonant vibration is measured, and wherein based on this
Resonanzfrequenz die mechanische Spannung bestimmt wird, welche den Proportionalitätsfaktor zwischen einer Auslenkung der Membran und einer auf die Resonance frequency, the mechanical stress is determined, which the proportionality factor between a deflection of the membrane and a on the
Membran wirkenden Kraft bestimmt, und wobei anhand des Proportionalitätsfaktors eine Membrane acting force determined, and wherein on the basis of the proportionality factor
Umrechnungsvorschrift erstellt wird, welche vom Abstandssensor gemessene Signale in eine auf die Membran wirkende Druckdifferenz transformiert. Conversion rule is created, which transforms signals measured by the distance sensor into a pressure difference acting on the membrane.
12. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei die Proportionalitätskonstante T anhand der 12. The method according to the preceding claim, wherein the proportionality constant T based on
bestimmt wird, wobei P1113x den Ort am fixierten Rand der Membran gemessen von der Mitte der Membran darstellt, und a>resdie Resonanzfrequenz der Membran und pmalenal den Massebelag der Membran bezeichnen. where P 1113x represents the location at the fixed edge of the membrane as measured from the center of the membrane, and a> res denote the resonance frequency of the membrane and p malenal the mass coating of the membrane.
13. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Drucks durch Multiplikation der ermittelten 13. The method according to the preceding claim, characterized in that the determination of the pressure by multiplying the determined
Proportionalitätskonstante T mit der gemessenen Auslenkung in der Mitte der Membran und einem zuvor ermittelten Vorfaktor erfolgt. Proportionality constant T with the measured deflection in the middle of the membrane and one before determined pre-factor occurs.
14. Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden 14. Method according to one of the two preceding
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Temperatursensor des Drucksensors Temperaturen gemessen und die temperaturabhängige Änderung der Proportionalitätskonstante T in die Berechnung des Druckes durch die Recheneinrichtung einbezogen wird. Claims, characterized in that measured with a temperature sensor of the pressure sensor temperatures and the temperature-dependent change in the proportionality constant T is included in the calculation of the pressure by the computing device.
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