DE112007001835B4

DE112007001835B4 - Konstanter Leistungsumsatz in kapazitiven Druckwandlern

Info

Publication number: DE112007001835B4
Application number: DE112007001835.6T
Authority: DE
Inventors: Philip J. Maiorana; Santhi E. Mathew
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP2010500564A; WO2008021178A2; GB2454130B; US7451654B2; US20080034879A1; JP5284959B2; KR20090048599A; GB0902096D0; KR101394070B1; GB2454130A; WO2008021178A3; DE112007001835T5

Abstract

System zum Steuern und / oder Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler mit einer Kapazitätsdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu detektieren, wobei das System umfasst:einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor, der dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren; undeinen Schalter, der dafür ausgelegt ist zu veranlassen, dass ein Strom durch einen Widerstand übertragen wird, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas detektiert worden ist, wodurch der Leistungsumsatz in dem kapazitiven Druckwandler konstant bleibt, wenn das Diaphragma kurzschließt.

Description

Kapazitive Druckwandler können den Druck von Gasen und Dämpfen durch Messen einer Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer benachbarten Elektrode bestimmen.
Um sicherzustellen, dass keine Änderungen bei der Erzeugung und beim Fließen von Wärme auftreten, sobald sich der Wandler erwärmt hat, kann wünschenswert sein, einen konstanten Leistungsumsatz an dem Sensorgrenzflächenbereich zu halten. Das Konstanthalten des Leistungsumsatzes kann insbesondere bei Druckwandlern mit hoher Verstärkung im unteren Wertebereich wünschenswert sein.
Es sind Versuche unternommen worden, die Temperatureffekte beim Nulldruck zu beseitigen oder zu minimieren, um so den Wandler unempfindlich gegenüber Änderungen des Wärmeflusses beim Nulldruck zu machen, wodurch der Leistungsumsatz konstant gehalten wird. Auch wenn Temperatureffekte bei einem Nulldruck beseitigt sind, können andere Druckpunkte ungeprüft bleiben und für vorübergehende bzw. stoßartige Verschiebungen anfällig sein.
Es sind zudem Versuche unternommen worden, eine zusätzliche Wärmeisolation zwischen dem Sensorgrenzflächenbereich und dem Sensor einzufügen, um den Leistungsumsatz konstant zu halten. Dies beeinträchtigt jedoch gegebenenfalls tendenziell andere Verbesserungen hinsichtlich der Stabilität, die durch die Temperatursteuerung bzw. -regelung der Elektronik gegebenenfalls vorhanden sind.
Entsprechend besteht Bedarf an einem verbesserten Verfahren und System zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler.
Zusammenfassung
Beschrieben wird ein System zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler mit einer Kapazitätsdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu detektieren. Das System beinhaltet einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor, der dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren. Das System beinhaltet des Weiteren einen Schalter, der dafür ausgelegt ist zu veranlassen, dass ein Strom durch einen Widerstand übertragen wird, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas detektiert worden ist, wodurch der Leistungsumsatz in dem Wandler im Wesentlichen konstant bleibt, wenn das Diaphragma kurzschließt.
Beschrieben wird zudem ein System zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler, der den Druck durch Detektieren einer Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode misst. Das System beinhaltet eine Kurzschlussdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren. Das System beinhaltet des Weiteren eine Leistungsumsatzschaltung, die dafür ausgelegt ist, dem kapazitiven Druckwandler Leistung zuzuführen, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode detektiert worden ist, indem ein Strom durch einen Widerstand geschickt wird, der mit einem Oszillator verbunden ist, der eine Kapazitätsdetektionsschaltung antreibt.
Ein kapazitiver Druckwandler beinhaltet ein Diaphragma, ein oder mehrere Referenzelektroden sowie eine Kapazitätsdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu detektieren, wobei die Änderung der Kapazität proportional zu einem an dem Diaphragma anliegenden Druck ist. Der Wandler beinhaltet des Weiteren einen Oszillator, der dafür ausgelegt ist, die Kapazitätsdetektionsschaltung anzutreiben, sowie einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor, der dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren. Der Wandler beinhaltet des Weiteren einen Widerstand, der mit dem Oszillator gekoppelt ist, und einen Schalter, der dafür ausgelegt ist zu ermöglichen, dass ein Strom in Reaktion auf die Detektion eines Kurzschließens des Diaphragmas durch den Widerstand übertragen wird, um so den Leistungsumsatz durch den Wandler im Wesentlichen konstant zu halten, wenn das Diaphragma kurzschließt.
Beschrieben wird zudem ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler, der dafür ausgelegt ist, Druck durch Detektieren einer Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu messen. Das Verfahren beinhaltet ein Detektieren eines Kurzschließens des Diaphragmas auf die Referenzelektrode. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren ein Hinzufügen eines Leistungsumsatzes in dem Wandler in einer Menge, die ausreichend ist, um die durch das Kurzschließen des Diaphragmas verursachte Verringerung des Leistungsumsatzes in dem Wandler zu kompensieren, um hierdurch den Leistungsumsatz in dem Wandler im Wesentlichen konstant zu halten.
Figurenliste

1A ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Beispieles für einen kapazitiven Druckwandler.
1B ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer elektronischen Schaltung für den in 1A gezeigten kapazitiven Druckwandler.
2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Systems zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in dem in 1A und 1B dargestellten kapazitiven Druckwandler.

Detailbeschreibung
Beschrieben werden ein Verfahren und ein System, die den Leistungsumsatz an dem Sensorgrenzflächenbereich in einem kapazitiven Druckwandler im Wesentlichen konstant halten.
1A ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Beispieles für einen kapazitiven Druckwandler 10. Der kapazitive Druckwandler 10 beinhaltet ein Diaphragma 12 und eine Anordnung aus Elektroden 14. Das Diaphragma 12 kann ein Metalldiaphragma 12 sein, und die kapazitiven Elektroden 14 können an der Rück- oder Referenzseite 16 des Metalldiaphragmas 12 angebracht sein. Eine Ablenkplatte 17 kann vorgesehen sein, um das Eindringen von unerwünschten Teilchen oder Energie zu verhindern.
Der kapazitive Druckwandler 10 ist dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal zu liefern, das proportional zu dem gemessenen Druck ist. Liegt ein Druck an dem Diaphragma 12 an, so erzeugt dessen Verbiegung eine Änderung des Abstandes zwischen den Elektroden und dem Diaphragma, was zu einer sich ergebenden Änderung der Kapazität führt. Wie detaillierter in Verbindung mit 1B gezeigt ist, kann die durch den anliegenden Druck verursachte Änderung der Kapazität mittels einer Kapazitätsbrückenschaltung und eines Vorverstärkers, die durch einen Oszillator angeregt werden, in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Das Wechselspannungssignal kann anschließend verstärkt und synchron demoduliert werden, was zu einem hochstabilen Gleichstromausgang (zwischen etwa 0 V und 10 V) führt, der direkt proportional zu dem Druck ist. Das Ausgangssignal kann direkt durch ein Datenermittlungssystem, ein Auslese- oder Leistungsquellengerät oder eine Steuer- bzw. Regeleinheit zur genauen Steuerung bzw. Regelung des Druckes gelesen werden.
Der kapazitive Druckwandler 10 kann ein eigenständiger Wandler sein, der eine Leistungsquelle von etwa ±15 V benötigt. Der kapazitive Druckwandler 10 kann einen Druck messen, der als Kraft pro Einheitsfläche definiert ist. Die Druckmessung durch den kapazitiven Druckwandler 10 kann unabhängig gegenüber der Art des gemessenen Gases sein. Die Elektrodenanordnung 14 kann eine Metall-auf-Keramik-Elektrodenstruktur aufweisen. Die Referenzseite (oder Rückseite) 16 des Wandlers 10 kann während der Lebensdauer des Manometers mittels einer internen chemischen Getterpumpe 18 auf einem sehr hohen Vakuum gehalten werden. Das Diaphragma 12 kann ein radial gespanntes Diaphragma sein, das dafür ausgelegt ist, eine sehr niedrige Hysterese, eine hohe Reproduzierbarkeit, eine hohe Auflösung und eine schnelle Reaktion zu zeigen.
1B ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer elektronischen Schaltung 50 für den in 1A gezeigten kapazitiven Druckwandler 10. Die elektronische Schaltung 50 kann benachbart zu dem Sensor beispielsweise an einem Sensorgrenzflächenbereich angeordnet sein. Die elektronische Schaltung 50 kann die nachfolgenden Komponenten beinhalten: eine Kapazitätsdetektionsschaltung 52; einen Oszillator 54; eine Referenz 56; und eine Puffer-, Zähl- und Verstärkungsschaltung 58. Die Kapazitätsdetektionsschaltung 52 detektiert die Änderung der Kapazität zwischen dem Diaphragma 12 und den Elektroden 14, siehe 1A. Die Kapazitätsdetektionsschaltung 52 kann eine herkömmliche Diodenbrückenschaltung sein, die eine Mehrzahl von Diodenelementen mit einer Anordnung in einer Brückenkonfiguration und einen oder mehrere Koppelkondensatoren beinhaltet.
Der Oszillator 54 ist dafür ausgelegt, die Brückenschaltung anzutreiben, und kann ein hochgenauer Konstantfrequenzoszillator sein. Die Referenz 56 ist dafür ausgelegt, einen Referenzpegel bereitzustellen, von dem aus ein Ungleichgewicht der Wandlerelektrodenkapazität gemessen werden kann. Das Ungleichgewicht der Sensorelektrodenkapazität erzeugt einen Differenzausgang, der von einer Puffer, Zähl- und Verstärkungsschaltung 58 verstärkt werden kann. Der Offset, die Verstärkung und die Linearität des sich ergebenden Ausgangssignals können durch ein Nullpotenziometer 66, ein Überbrückungspotenziometer (span potentiometer) 62 beziehungsweise ein Linearitätspotenziometer 64 angepasst werden. Diese Anpassungen können eine geeignete Entsprechung zwischen einem Druckeingang und einem Spannungsausgang sicherstellen.
Es ist wünschenswert, einen konstanten Leistungsumsatz an dem Sensorgrenzflächenbereich, der die in 1B gezeigte Sensorelektronikschaltung enthält, aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise treten keinerlei Änderungen bei der Erzeugung und beim Fließen von Wärme auf, sobald sich der Wandler 10 erwärmt hat. In der Vergangenheit waren Unzulänglichkeiten bei der Aufrechterhaltung eines konstanten Leistungsumsatzes am deutlichsten bei Druckwandlern mit hoher Verstärkung im unteren Wertebereich sichtbar. Das Erfordernis, den Leistungsumsatz konstant zu halten, kann insbesondere bei unbeheizten Wandlern von Bedeutung sein, hat sich jedoch auch bei beheizten Wandlern als wichtig herausgestellt.
2 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispieles eines Systems 100 zum Steuern bzw. Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler. Das System 100 beinhaltet insgesamt einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor 110; einen Leistungsumsetzwiderstand 140, der in der Nähe der Oszillatorantriebsverstärkung 54 angeordnet und zwischen einer Leistungsquelle 150 und einer Masse 160 verbindungstechnisch anschließbar ist; einen Hochspanntransformator 130 und einen Transistorschalter 120.
Das System 100 ist dafür ausgelegt, den Leistungsumsetzwiderstand 140 (der in der Nähe der Oszillatorantriebsschaltung 54 angeordnet ist) über der Leistungsquelle 150 zu schalten, wenn ein Zuführen von Leistung zu dem Sensorgrenzflächenbereich notwendig ist, da das Diaphragma 12 auf die Elektroden 14 kurzschließt. Das Kurzschließen des Diaphragmas 12 auf die Elektroden 14 führt zu einer stark erhöhten kapazitiven Last an dem Wandler 10. Insbesondere ist das System 100 dafür ausgelegt, (1) ein Kurzschließen des Diaphragmas 12 auf die Elektroden 14 zu detektieren; und (2) dann, wenn die Kurzschlussbedingung detektiert worden ist, den Widerstand 140 zwischen einer V+-Leistungsquelle 150 und der Masse 160 verbindungstechnisch anzuschließen, um so den verringerten Leistungsumsatz in dem Oszillator 54 zu kompensieren.
Arbeitet ein Anregungsoszillator in einem typischen Kapazitätsbereich des kapazitiven Druckwandlers 10, so wird merklich weniger Leistung in dem Oszillatortreiberverstärker im Vergleich zu demjenigen Fall umgesetzt, in dem das Diaphragma kurzschließt, wobei zu diesem Zeitpunkt die Schaltung auf eine niedrigere Spitze-zu-Spitze-Spannung und Oszillatorfrequenz schaltet. Arbeitet beispielsweise ein Anregungsoszillator mit 40 V_p-p (p-p peak-to-peak, Spitze-zu-Spitze) und einer Anregungsfrequenz von 250 kHz in einem typischen Kapazitätsbereich von 120 pF bei einem 100-mT-Wandler, so kann doppelt so viel Leistung in dem Oszillatortreiberverstärker umgesetzt werden, wenn das Diaphragma kurzschließt, wobei zu diesem Zeitpunkt die Schaltung mit dem Hochspanntransformator 140 auf 10 V_p-p und 16 kHz schalten kann. Die Änderung bei Spannung und Frequenz führt dazu, dass der Gesamtleistungsumsatz in dem System (ohne Kurzschluss des Diaphragmas) bei etwa der Hälfte der Normalleistung ist. Das System 100 ist dafür ausgelegt, durch eine Logik das Kurzschließen des Diaphragmas auf die Elektroden zu detektieren und einen Basisantrieb für den Transistor 120 bereitzustellen, um so den Widerstand 140 von der V+-Leistungsquelle 150 mit der Masse 160 zu verbinden. Der Widerstand 140 ist derart gewählt, dass er diejenige zusätzliche Leistung bereitstellt, die benötigt wird, um den Leistungsumsatz im Wesentlichen konstant zu halten.
Das System 100 beinhaltet einen Hochspanntransformator 130 zum Optimieren der Oszillatoranregung. Wie bekannt ist, verbessert das Maximieren der Oszillatoramplitude direkt das Signal-Rausch-Verhältnis bei einem kapazitätsbasierten Druckwandler, bei dem der Ausgang direkt proportional zur Oszillatorsanregungsamplitude ist. Es ist wünschenswert, dass die Maximierung bei allen Bedingungen, die in der Diodenbrückenschaltung 52 auftreten, mit größtmöglicher Effizienz und bei kleinstmöglichem Leistungsumsatz erfolgen kann.
Um eine maximal verfügbare Oszillatoramplitude zu erreichen, können einige herkömmliche Systeme die Leistungsquellenspannung maximieren. Das Maximieren der Leistungsquellenspannung kann jedoch die Verwendung von moderneren Bauteilen verhindern, die bei niedrigeren Spannungen arbeiten und daher verlässlicher sind. Diese herkömmlichen Systeme berücksichtigen gegebenenfalls den Leistungsumsatz weder während des Normalbetriebes noch für den Fall einer Sensorkurzschlussbedingung nicht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Hochspanntransformator 130 ein einfacher 5:1-Autotransformator sein, der für eine hohe Anregungsfrequenz von 250 kHz ausgelegt ist. Die Größe und Induktivität des Transformators 130 kann klein gehalten sein. Der Transformator kann ein einfaches Toroid sein, das zu niedrigen Kosten in einem einzigen Fertigungsvorgang hergestellt werden kann, sodass ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis gegeben ist.
Bei einem Hochspannverhältnis von 5 : 1 kann im Autotransformatormodus ein Niedrigspannungsoperationsverstärker verwendet werden, um eine optimal hohe Anregungsspannung zu erzeugen. Der Oszillatorantriebsverstärker 54 benötigt ein hohes Ausgangsstromleistungsvermögen, wie es bei Videoverstärkern gängig ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Oszillator 54 ein Oszillator mit 40 V_p-p und 250 kHz sein, der verwendet wird, um kapazitive Manometer im unteren Wertebereich (< 1 Torr) anzuregen. Mit anderen Worten, der Oszillator 54 ist dafür ausgelegt, die Brückenschaltung bei einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von etwa 40 kHz und einer Antriebsfrequenz von etwa 250 kHz während des Normalbetriebes anzutreiben. Die andere Oszillatoramplitude von 10 V_p-p kann für alle anderen Wandlerbereiche eingesetzt werden, wobei die Amplitude digital in Abhängigkeit von dem Bereich eingestellt werden kann.
Diese sekundäre Induktivität des Transformators 130 ist derart optimiert, dass eine Resonanz in die kapazitive Last des arbeitenden kapazitiven Wandlers erfolgt. Ein zweiter Resonanzpunkt wird gemessen, wenn das Diaphragma kurzschließt und die größeren Koppelkondensatoren die Last bilden.
Bei der dargestellten Schaltungskonfiguration kommt das Oszillatorsignal von 40 V_p-p und 250 kHz von der sekundären Seite des Transformators 130. Daher muss der Oszillatorverstärker 54 mit 8 V_p-p (das heißt, 40 geteilt durch 5) die primäre Seite des Transformators 130 mit dem Fünffachen des Stromes, der durch die Brückenimpedanz und den Wandler 10 getrieben würde, antreiben. Weist der Wandler 10 etwa 60 bis 65 pF pro Sensorkondensator 14 auf, so sieht der Oszillator 54 etwa 130 pF. Bei 250 kHz stellt dies eine Impedanz von etwa 5000 Ω dar. Der Oszillator 54 mit 40 V_p-p muss also 20 V_p für etwa 5000 Ω, das heißt etwa 4 mA, bereitstellen. Die Oszillatorschaltung muss dann 5 × 4 = 20 mA für die primäre Seite bei ±4 V bereitstellen. Dies kann ohne Weiteres von im Handel erhältlichen hocheffizienten Niederspannungsoperationsverstärkern bewerkstelligt werden, wobei die Brückenschaltung 52 je nach Bedarf mit einem Hochspannungsantriebssignal bereitgestellt sein kann.
Bei dem vorbeschriebenen hohen Ausgangsstromleistungsvermögen muss das Auftreten eines Diaphragmakurzschlusses aktiv gelöst werden, um einen weiteren Leistungsumsatz zu begrenzen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Kurzschlussbedingung durch einen Sättigungsbrückenausgang detektiert, um in einem Netzwerk zu schalten, um die Oszillatorfrequenz auf ihren „Kurzschlussresonanzpunkt“ von etwa 16 kHz zu verringern. Wenn darüber hinaus der Oszillator auf 40 V_p-p ist, so wird die Amplitude hiervon in einer diskreten Logik oder unter der Steuerung der CPU (nicht gezeigt) auf einen Pegel von 10 V_p-p verringert. Der Leistungsumsatz wird unter dieser Bedingung bei Wandlern im unteren Wertebereich (< 1 Torr) halbiert und bleibt in allen anderen Wertebereichen annähernd gleich.
Der Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor 110 kann eine Kurzschlussdetektorschaltung sein, die dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas 12 auf die Elektroden 14 zu detektieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor 110 ein Spannungsvergleicher mit einem ersten Eingang 114, der mit einer temperaturkompensierten Referenz gekoppelt ist, und einem zweiten Eingang 116, der mit dem Ausgang der Kapazitätsdetektionsschaltung 52 gekoppelt ist.
Der Spannungsvergleicher 119 ist dafür ausgelegt, auf hoch zu schalten, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode eine Sättigung der Kapazitätsbrückenschaltung 52 verursacht. Die Kapazitätsbrückenschaltung 52 beinhaltet eine Mehrzahl von Diodenkomponenten 44 mit einer Anordnung in einer Brückenkonfiguration und wenigstens einen Koppelkondensator 46. Erfolgt ein Kurzschluss von einer oder beiden Elektroden 14 des kapazitiven Wandlers 10, so ändern die Koppelkondensatoren 46 die an der Brückenschaltung 52 gesehene Kapazität drastisch, und zwar üblicherweise um mehr als das Hundertfache. Dies führt zu einer Sättigung der Brückendiodenkomponenten 44. Diese Art der Sättigung tritt nur unter einer Kurzschlussbedingung auf. Die temperaturkompensierte Referenz 112 in der Kurzschlussdetektorschaltung 110 lässt an dem Vergleicher 119 eine Spannung entstehen, die die Sättigung anzeigt. Auf diese Weise schaltet der Vergleicher 119 auf hoch, wenn die Kurzschlussbedingung gilt. Die temperaturkompensierte Referenz 112 nimmt eine Anpassung eingedenk der Tatsache vor, dass die Brückensättigung stark temperaturabhängig ist.
Sobald der Kurzschluss detektiert worden ist, hält sogar ein Verringern der Oszillatoramplitude mit einer hundertfach größeren Kapazität die Brücke 52 in Sättigung. Durch Verringern der Amplitude des Oszillators 54 auf 10 V_p-p und Schalten der Frequenz auf den neuen Resonanzpunkt von 16 kHz wird jedoch die von der Oszillatorschaltung für die primäre Seite des Transformators 130 bereitgestellte Leistungs auf annähernd die Hälfte des normalen Betriebswertes verringert.
Der Schalter 120 verbindet den Leistungswiderstand 140 mit Masse, sodass der Widerstand die andere Hälfte der Normalleistung umsetzt. Auf diese Weise endet bei dem gesamten Schaltungsblock, beinhaltend den Oszillatortreiber 54 und den Leistungswiderstand 140, der Umsatz derselben Leistung wie unter normalen Bedingungen, sodass sich die Temperatur an dem Schaltungsbereich nicht ändert.
Bei einem Anregungsoszillator mit 10 V_p-p, der für Sensoren von 1 Torr und darüber verwendet wird, hält das vorbeschriebene Schalten von 250 kHz im Normalbetrieb auf 16 kHz bei einem Kurzschluss des Diaphragmas den Leistungsumsatz in dem Oszillatortreiberverstärker 54 gleich, da der Oszillator in der Lage ist, die geeignete Oszillatoramplitude zu halten. Ein Vorteil besteht darin, dass sämtliche Schaltungen trotz des kurzgeschlossenen Sensors unter ihren Normalpegeln arbeiten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schalter 120 ein Transistor. Bei anderen Ausführungsbeispielen können viele andere Arten von Schaltern Verwendung finden. Der Transistor 120 verfügt über einen Basisanschluss 124, der mit dem Spannungsvergleicher 119 gekoppelt ist, einen Kollektoranschluss 122, der mit dem Widerstand 130 gekoppelt ist, und einen Emitteranschluss 126, der mit der Masse 160 gekoppelt ist. Wie bekannt, ermöglicht ein an der Basis 124 vorhandener kleiner Strom oder eine entsprechende Spannung, dass ein größerer Strom oder eine entsprechende Spannung durch die anderen beiden Zuleitungen fließt, das heißt von dem Kollektor 122 zu dem Emitter 126. Der Transistor 120 ist dafür ausgelegt zuzulassen, dass ein Strom von dem Emitteranschluss 126 zu dem Kollektoranschluss 122 und durch den Widerstand 130 fließt, wenn ein Antriebssignal an dem Basisanschluss 124 bei Detektion des Kurzschließens des Diaphragmas durch die Kurzschlussdetektionsschaltung anliegt.
Beschrieben werden insgesamt ein System und ein Verfahren, die den Leistungsumsatz an dem Sensorgrenzflächenbereich eines kapazitiven Druckwandlers im Wesentlichen konstant halten, wenn das Diaphragma auf die Elektroden kurzschließt, und zwar durch Detektieren des Kurzschließens des Diaphragmas und Schalten eines Leistungswiderstandes an der Leistungsquelle, um dem Sensorgrenzflächenbereich Leistung zuzuführen.
Das vorstehend beschriebene System und das zugehörige Verfahren ermöglichen eine Kompensation von Wärmegradienten an dem Sensorgrenzflächenbereich, wodurch das Wärmeübergangsverhalten bzw. das vorübergehende bzw. stoßartige Wärmeverhalten im Wesentlichen beseitigt wird. Die Gesamtleistung kann an dem Sensorgrenzflächenbereich minimiert werden, wodurch der Temperaturanstieg der Wandlerkomponenten auf einem Minimum gehalten und die Verlässlichkeit verbessert wird. Darüber hinaus ermöglicht das Fehlen von Änderungen bei der Wärmepackung eine bessere Steuerung bzw. Regelung der Temperaturumgebung des Wandlers. Zudem führt die Verwendung des Hochspanntransformators zu einem wesentlich besseren Signal-Rausch-Verhältnis, und zwar als direktes Ergebnis einer erhöhten Anregungsverstärkung bei Wandlern im unteren Wertebereich (oder mit hoher Verstärkung). Die Verwendung des Hochspanntransformators begrenzt darüber hinaus den Leistungsumsatz in der Oszillatorschaltung, wodurch das Wärmeverhalten des Wandlers verbessert wird.
Obwohl bestimmte Ausführungsbeispiele eines Systems und Verfahrens, die den Leistungsumsatz konstant halten, beschrieben worden sind, sollte einsichtig sein, dass die diesen Ausführungsbeispielen impliziten Konzepte auch bei anderen Ausführungsbeispielen Verwendung finden können. Der Schutz der Anmeldung ist nur durch die nachfolgenden Ansprüche bestimmt.
In den Ansprüchen soll die Nennung eines Elementes in der Einzahl - außer dies ist explizit anders angegeben - nicht „eines und nur eines“, sondern „eines oder mehrere“ bedeuten. Diejenigen sämtlichen strukturellen und funktionellen Äquivalente zu Elementen bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen aus der Beschreibung in dieser Offenbarung, die bekannt sind oder einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet später noch bekannt werden, sind explizit durch Verweisung hier mitaufgenommen und sollen durch die Ansprüche mitumfasst sein. Darüber hinaus soll nichts von dem hier Offenbarten als Verzicht zugunsten der Öffentlichkeit verstanden werden, und zwar unabhängig davon, ob das Offenbarte explizit in den Ansprüchen niedergelegt ist oder nicht. Kein Element eines Anspruches soll gemäß den Vorschriften von 35 U.S.C. § 112, Absatz 6 beschränkt sein, außer das Element wird explizit mittels der Wendung „Mittel für/zum/zur“ oder für den Fall eines Verfahrensanspruches mittels der Wendung „Schritt für/zum/zur“ beschrieben.

Claims

System zum Steuern und / oder Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler mit einer Kapazitätsdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu detektieren, wobei das System umfasst: einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor, der dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren; und einen Schalter, der dafür ausgelegt ist zu veranlassen, dass ein Strom durch einen Widerstand übertragen wird, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas detektiert worden ist, wodurch der Leistungsumsatz in dem kapazitiven Druckwandler konstant bleibt, wenn das Diaphragma kurzschließt.
System nach Anspruch 1, wobei der Widerstand, einen Widerstandswert aufweist, der ausreichend ist, um eine als Ergebnis des Kurzschließens des Diaphragmas auftretende Verringerung des Leistungsumsatzes in dem kapazitiven Druckwandler zu kompensieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor einen Spannungsvergleicher und eine temperaturkompensierte Referenz umfasst.
System nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend eine Leistungsquelle, die dafür ausgelegt ist, Leistung für einen Oszillator bereitzustellen; und wobei der Schalter auf die Detektion des Kurzschließens des Diaphragmas anspricht, um den Widerstand zwischen der Leistungsquelle und einer Masse verbindungstechnisch anzuschließen, damit der Strom durch den Widerstand übertragen wird.
System nach Anspruch 4, wobei die Kapazitätsdetektionsschaltung eine Kapazitätsbrückenschaltung umfasst; und wobei der Spannungsvergleicher dafür ausgelegt ist, auf hoch zu schalten, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode eine Sättigung der Kapazitätsbrückenschaltung verursacht.
System nach Anspruch 4, wobei der Spannungsvergleicher einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang umfasst; wobei der Schalter ein Transistor ist; und wobei der erste Eingang des Spannungsvergleichers mit der temperaturkompensierten Referenz gekoppelt ist, der zweite Eingang des Spannungsvergleichers mit einem Ausgang der Kapazitätsdetektionsschaltung gekoppelt ist und der Ausgang des Spannungsvergleichers mit einem Basisanschluss des Schalters gekoppelt ist.
System nach Anspruch 5, wobei die Kapazitätsbrückenschaltung eine Mehrzahl von Diodenelementen mit einer Anordnung in einer Brückenkonfiguration sowie einen oder mehrere Koppelkondensatoren umfasst; und wobei die Koppelkondensatoren dafür ausgelegt sind, den von der Brückenschaltung detektierten Kapazitätswert beim Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode um einen Faktor von 100 zu erhöhen.
System nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend einen Hochspanntransformator, der zwischen dem Oszillator und der Kapazitätsbrückenschaltung gekoppelt ist.
System nach Anspruch 8, wobei der Hochspanntransformator ein Hochspannverhältnis von 5: 1 aufweist; und wobei eine sekundäre Induktivität des Hochspanntransformators einen ersten Resonanzpunkt, der in eine erste kapazitive Last des kapazitiven Wandlers in Resonanz tritt, und einen zweiten Resonanzpunkt, der in eine zweite kapazitive Last des kapazitiven Wandlers in Resonanz tritt, aufweist.
System nach Anspruch 9, wobei die erste kapazitive Last eine kapazitive Last des kapazitiven Druckwandlers zu einem Zeitpunkt, zu dem das Diaphragma nicht auf die Referenzelektrode kurzgeschlossen ist, umfasst; und wobei die zweite kapazitive Last eine kapazitive Last des kapazitiven Druckwandlers zu einem Zeitpunkt, zu dem das Diaphragma auf die Referenzelektrode kurzgeschlossen ist, umfasst.
System nach Anspruch 5, wobei ein Ausgang des Kurzschlussdiaphragmapegeldetektors proportional zu einer Anregungsamplitude des Oszillators ist; und wobei der Oszillator dafür ausgelegt ist, die Kapazitätsbrückenschaltung bei einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 40 V und einer Antriebsfrequenz von 250 kHz anzutreiben, wenn das Diaphragma nicht auf die Referenzelektrode kurzgeschlossen ist.
System nach Anspruch 5, wobei der Oszillator des Weiteren dafür ausgelegt ist, die Kapazitätsbrückenschaltung bei einer Spitze-zu-Spitze-Spannung von 10 V und einer Antriebsfrequenz von 16 kHz anzutreiben, wenn das Diaphragma auf die Referenzelektrode kurzgeschlossen ist.
Kapazitiver Druckwandler, umfassend: ein Diaphragma; eine oder mehrere Referenzelektroden; eine Kapazitätsdetektionsschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu detektieren, wobei die Änderung der Kapazität proportional zu einem an dem Diaphragma anliegenden Druck ist; einen Oszillator, der dafür ausgelegt ist, die Kapazitätsdetektionsschaltung anzutreiben; einen Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor, der dafür ausgelegt ist, ein Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode zu detektieren; einen Widerstand, der mit dem Oszillator gekoppelt ist; und einen Schalter, der dafür ausgelegt ist zu ermöglichen, dass ein Strom in Reaktion auf die Detektion des Kurzschließens des Diaphragmas durch den Widerstand übertragen wird, um den Leistungsumsatz durch den kapazitiven Druckwandler konstant zu halten, wenn das Diaphragma kurzschließt.
Kapazitätsdruckwandler nach Anspruch 13, wobei der Kurzschlussdiaphragmapegeldetektor einen Spannungsvergleicher aufweist, wobei die Kapazitätsdetektionsschaltung eine Kapazitätsbrückenschaltung umfasst, der kapazitive Druckwandler des Weiteren umfassend einen Hochspanntransformator, der zwischen dem Oszillator und der Kapazitätsbrückenschaltung gekoppelt ist, wobei der Spannungsvergleicher konfiguriert ist, auf hoch zu schalten, wenn das Kurzschließen des Diaphragmas auf die Referenzelektrode eine Sättigung der Kapazitätsbrückenschaltung verursacht.
Verfahren zum Steuern und / oder Regeln des Leistungsumsatzes in einem kapazitiven Druckwandler, der dafür ausgelegt ist, einen Druck durch Detektieren einer Änderung der Kapazität zwischen einem Diaphragma und einer Referenzelektrode zu messen, wobei das Verfahren umfasst: Detektieren eines Kurzschließens des Diaphragmas auf die Referenzelektrode; und Hinzufügen eines Leistungsumsatzes in dem kapazitiven Druckwandler in einer Menge, die ausreichend ist, um die durch das Kurzschließen des Diaphragmas verursachte Verringerung des Leistungsumsatzes in dem kapazitiven Druckwandler zu kompensieren, wodurch der Leistungsumsatz in dem kapazitiven Druckwandler im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Zuführen von Leistungsumsatz in dem kapazitiven Druckwandler ein Übertragen eines Stromes durch einen Widerstand umfasst, der mit einem Oszillator gekoppelt ist, der dafür ausgelegt ist, eine Kapazitätsdetektionsschaltung anzutreiben, die die Änderung der Kapazität zwischen dem Diaphragma und der Referenzelektrode detektiert.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Vorgang des Übertragens des Stromes durch den Widerstand umfasst: Anlegen eines Antriebssignals an einem Basisanschluss eines Transistors, um so zu ermöglichen, dass ein Strom von dem Emitteranschluss des Transistors zu dem Kollektoranschluss des Transistors und durch den Widerstand fließt, wodurch Leistung in ausreichender Menge umgesetzt wird, wenn der Strom durch den Widerstand fließt.