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Dokumentenidentifikation DE69411035T2 08.10.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0737304
Titel MESSUNG DER GASMENGE IN EINEM BEHÄLTER
Anmelder Data Instruments Inc., Acton, Mass., US
Erfinder ERICHSEN, Herman, W., Holliston, MA 01746, US
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 69411035
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 20.12.1994
EP-Aktenzeichen 959060807
WO-Anmeldetag 20.12.1994
PCT-Aktenzeichen US9414805
WO-Veröffentlichungsnummer 9517652
WO-Veröffentlichungsdatum 29.06.1995
EP-Offenlegungsdatum 16.10.1996
EP date of grant 10.06.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.10.1998
IPC-Hauptklasse G01F 17/00
IPC-Nebenklasse G01L 1/22   F17C 13/02   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft bzw. Größe, die sowohl von dem Druck als auch von der Temperatur eines Gases abhängt, wie beispielsweise der Dichte des Gases und folglich der Menge dieses Gases in einem Behälter mit einem festen Volumen.

Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine solche Vorrichtung, die umfaßt: Eine Wheatstone-Brücke, die erste und zweite Eingangsknoten bzw. Eingangsknotenpunkte zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung aufweist, erste und zweite Ausgangsknoten zur Bereitstellung eines Ausgangssignals sowie vier Arme, die jeden der Eingangsknoten mit jedem der Ausgangsknoten verbinden, wobei erste und zweite der vier Arme, die mit dem ersten Ausgangsknoten verbunden sind, erste bzw. zweite primäre Meß- bzw. Fühlelemente (wie beispielsweise Halbleiter- Dehruneßstreifen) umfassen, die ausgelegt bzw. angeordnet sind, um entgegengesetzt auf den Druck des Gases anzusprechen, und um Dehnungs- bzw. Eichfaktoren aufzuweisen, die vergleichbar auf die Temperatur des Gases ansprechen, so daß das Ausgangssignal im allgemeinen proportional zu der zu messenden Gas-Eigenschaft ist.

Eine solche Vorrichtung wird in der Patentschrift DE-A-3,511,899 beschrieben. In dieser Vorrichtung sind die Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen dotiert, so daß die Dehnungs- bzw. Eichfaktoren der Dehnungsmeßstreifen, innerhalb von Grenzen, von der Temperatur abhängen, und zwar auf eine in etwa ähnliche Art und Weise wie die Temperaturabhängigkeit des Druckes eines festen bzw. konstanten Volumens des Gases.

Ein Problem bei dem in DE-A-3,511,899 dargelegten Beispiel besteht darin, daß, obwohl die Dehnungsmeßstreifen dotiert sind, so daß der Ausgang bzw. die Ausgangsgröße der Brücke nicht nur von dem Druck sondern auch von der Temperatur des Gases in einer solchen Art und Weise abhängt, daß die Ausgangsgröße im allgemeinen repräsentativ für die Gasmenge in einem festen Volumen ist, dies nur für ein ideales Gas bei einer speziellen Temperatur, beispielsweise bei etwa 0 ºC, der Fall ist. Abweichend von dieser speziellen Temperatur wird die Ausgangsgröße nicht mehr repräsentativ, und darüber hinaus ebenfalls, falls sich das Gas nicht wie ein ideales Gas verhält, das der idealen Gasgleichung PV = mRT oder PV = n T gehorcht, wobei P der Druck des Gases, T die Temperatur des Gases, V das Volumen des Gases, m die Masse des Gases, R die Gaskonstante für das spezielle Gas, n die Anzahl von Molen des Gases und die universelle Gaskonstante ist.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich damit, in einer einfachen Art und Weise den Genauigkeitsbereich von der Art von Vorrichtung, wie zuvor beschrieben, zu erhöhen, um eine Vorrichtung zu schaffen, die vergleichsweise kostengünstig, leicht, zuverlässig und einfach zu warten ist, und auch mit der Ermöglichung dessen, daß die Vorrichtung genauere Meßresultate zur Verfügung stellen kann, sogar wenn sich das Gas nicht wie ein ideales Gas verhält, beispielsweise wenn es der van der Waal'schen Zustandsgleichung (P + (n²a/V²)) (V - bn) = n T gehorcht, wobei a und b Konstanten für das spezielle Gas sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch ein kompensierendes Fühl bzw. Meßelement, wie beispielsweise einen Therrnistor bzw. Heißleiter, gekennzeichnet, der in einem fünften Arm zwischen den ersten und zweiten Ausgangsknoten geschaltet ist, wobei das kompensierende Meßelement ausgelegt bzw. angeordnet ist, daß es allein auf die Temperatur des Gases anspricht, um die Proportionalität zwischen dem Ausgangssignal und der zu messenden Gas-Eigenschaft bzw. Gasgröße zu verbessern. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben werden wird, wird die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Temperatur hauptsächlich durch die Temperaturabhängigkeit der Dehnungsfaktoren der ersten und zweiten Meßelemente bewirkt, aber eine zusätzliche Kompensation, die nicht linear sein kann, wird bei Verwendung der zusätzlichen kompensierenden Meßeinrichtung erreicht.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann der fünfte Art einen Widerstand in Reihe mit dem kompensierenden Meßelement umfassen, und jeder der ersten und zweiten Arme kann einen jeweiligen Widerstand in Reihe mit dem entsprechenden primären Meßelement umfassen.

Die Vorrichtung der Erfindung kann insbesondere nützlich bei der Überwachung der Gasmenge in einem Speicher- bzw. Vorratsbehälter oder in einem Treibstofftank eines mit Erdgas betriebenen Fahrzeugs sein.

Es sei angemerkt, daß die Patentschrift JP-A-03-118,443 eine Vorrichtung beschreibt, die dazu gedacht ist, die Menge an Wasserstoff in einem Tank zu messen, und zwar unter Verwendung einer Wheatstone-Brücke, die in ihrem einen Arm einen Druckdetektions-Dehnungsmeßstreifen und in ihrem benachbarten Arm ein Temperaturmeß-Widerstandselement aufweist. Es ist zu berücksichtigen, daß eine solche Anordnung, obwohl sie für ein gewisses Maß an Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals sorgt, keine besonders genaue Messung der Gasmenge über einen vernünftig weiten Temperaturbereich bewerkstelligen kann.

Es sei auch angemerkt, daß die Patentschrift US-A-4,408,484 eine Vorrichtung beschreibt, die dazu gedacht ist, die Menge eines Gases zu messen, und zwar unter Verwendung eines auf Druck ansprechenden Potentiometers, mit einer Last bzw. Beladung, die auf diesen mit Hilfe eines Thermistors ausgeübt wird. Man wird wiederum berücksichtigen, daß eine solche Anordnung an den gleichen Nachteilen wie die in JP-A-03-118,443 beschriebene Vorrichtung leidet.

Eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen;

Figur 1 ein Schema einer typischen, erfindungsgemäßen Schaltung ist, zur Messung der Gasmenge in einem Behälter;

Figur 2 eine Kurve ist, die für eine Reihe von Temperaturen das Ansprechverhalten bzw. die Antwort eines Sensors auf einen Druck zeigt;

Figur 3 eine Kurve ist, die das Ansprechverhalten des gleichen Sensors in Kombination mit der Schaltung gemäß Figur 1 zeigt;

Figur 4 eine Kurve einer gewünschten Meßbereich-Kompensation für die Schaltung aus Figur 1 für Methan ist;

Figur 5 eine berechnete Kurve einer relativen Empfindlichkeit für einen Sensor ist, der mit einer Schaltung gemäß Figur 1 kompensiert wird;

Figur 6 ein verallgemeinertes Schema einer Wheatstone-Brückenschaltung darstellt; und

Figur 7 eine Kurve der relativen Empfindlichkeit aufgetragen über die Temperatur eines Sensors darstellt, der unter Verwendung einer quadratischen Fit-Prozedur kompensiert wurde.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Erfindung kann auf Grundlage der in den vorstehend bezeichneten Patentschriften beschriebenen Sensoren vom Balkenund-Membran-Typ realisiert werden. (Wie man bei Verwendung dieses Sensortyps sowohl Temperatur- als auch Druckmessungen vornimmt, wird in einer ebenfalls anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Combined Temperature and Pressure Sensing" beschrieben, die am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in dieser Offenbarung mit beinhaltet sei.) In Figur 1 beinhaltet eine beispielhafte Gasmengen-Meßschaltung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung erste und zweite Dehnungsmeßstreifen 12, 14. Diese sind auf einem Balken angebracht, und zwar in einer solchen Art und Weise, daß Druckerhöhungen eine Dehnung des einen der Dehnungsmeßstreifen und eine Kompression des anderen bewirken. Temperaturänderungen neigen dazu, Erhöhungen im Widerstand von beiden dieser Dehnungsmeßstreifen zu bewirken.

Die Dehnungsmeßstreifen 12, 14 werden nach dem Temperaturkoeffizienten ihres Widerstands und dem Temperaturkoeffizienten ihres Dehnungsfaktors ausgewählt, um in etwa eines der Gasgesetze zu approximieren. Dies kann durch Wahl der Materialeigenschaften des Dehnungsmeßstreifens bewerkstelligt werden, wie beispielsweise der Dotierstärke und/oder der Gitterorientierung. Im allgemeinen sind die Temperaturkoeffizienten des Widerstands und des Dehnungsfaktors eine Funktion der Dotierstärke bzw. Dotierkonzentration und der Kristallorientierung.

Der Einfluß der Halbleiterdotierung und der Gitterorientierung auf die Temperaturkoeffizienten wird in "Silicon Piezoresistive Devices, Semiconductor and Conventional Strain Gage", von E. D. Padgett und W. V. Wright, Academic Press, 1962 diskutiert, das hiermit durch Bezugnahme in dieser Offenbarung mit enthalten sei. Wie nachfolgend diskutiert wird, kann die Thermistor-Widerstandskombination auch angepaßt werden, um stärker den Eigenschaften eines speziellen Gases zu folgen.

Bei einer Ausführungsform werden Silizium-Wafer mit einer Bor-Dotierkonzentration hergestellt, was in einem spezifischen Widerstand von 0,12 bis 0,15 Ω-cm resultiert, und mit einer Orientierung längs der [111]-Achse geschnitten, wenn diese auf Serie-300-Siliziumsubstrat montiert bzw. gezogen werden. Der resultierende Widerstandstemperaturkoeffizient beträgt etwa +0,0054/K (+30 %/100 F) und der Temperaturkoeffizient des Dehnungsfaktors beträgt etwa -0,00288/K (-16 %/100 F). Solche Wafer sind erhältlich von Virginia Semiconductor Inc. in Fredericksburg, Virginia.

Die Dehnungsmeßstreifen 12, 14 sind in zwei benachbarten Zweigen bzw. Armen einer Wheatstone-Brückenschaltung 21 geschaltet. Ein erster Nullkompensations- Widerstand 16 ist in einem ersten Zweig der Wheatstone-Brücke in Reihe mit dem ersten Dehnungsmeßstreifen 12 geschaltet und ein zweiter Nullkompensations- Widerstand 18 ist in einem zweiten Zweig der Wheatstone-Brücke in Reihe mit dem zweiten Dehnungsmeßstreifen 14 geschaltet. Ein erster Abgleichwiderstand 20 und ein zweiter Abgleichwiderstand 22 sind in Reihe zwischen den ersten und zweiten Zweigen geschaltet, um die dritten und vierten Zweige der Wheatstone-Brücke zu bilden. Falls es notwendig ist, sind ein Meßbereichskompensationswiderstand 24 und ein Meßbereichskompensationsthermistor 26 in Reihe geschaltet, und zwar von einem Knoten bzw. Knotenpunkt 11 zwischen den zweiten Dehnungsmeßstreifen zu einem Knoten 13 zwischen den ersten und zweiten Abgleichwiderständen.

Ein Knotenpunkt 15 zwischen dem ersten Nullkompensationswiderstand 16 und dem ersten Nullabgleichwiderstand 20 ist mit einer positiven Spannungsversorgungsschiene 28 verbunden. Ein Knotenpunkt 17 zwischen dem zweiten Nullkompensationswiderstand 18 und dem zweiten Abgleichwiderstand 22 ist mit einet negativen Versorgungsschiene 30 über einen Reihenwiderstand 32 verbunden. Der Knotenpunkt 11 zwischen den zwei Dehnungsmeßstreifen 12, 14 ist ein erster Ausgang der Wheatstone-Brückenschaltung 21. Der Knotenpunkt 13 zwischen den ersten und zweiten Nullabgleichwiderständen 20, 22 ist ein zweiter Ausgang der Brückenschaltung. Der Knotenpunkt 17 zwischen dem zweiten Nullkompensationswiderstand 18 und dem zweiten Abgleichwiderstand 22 ist ein Testpunkt, der nur bei Abgleichung der Brückenschaltung verwendet wird. Ein erster Kondensator 34 ist zwischen die ersten und zweiten Ausgänge der Wheatstone-Brückenschaltung geschaltet.

Die Wheatstone-Brückenschaltung 21 wird von einer ersten Operationsverstärkerstufe 23 gefolgt, die einen ersten Operationsverstärker 36 umfaßt. Diese Stufe beinhaltet auch einen Spannungsteiler, der aus einem ersten Spannungsteilerwiderstand 38 und einem zweiten Spannungsteilerwiderstand 40 gebildet wird, die in Reihe zwischen der positiven Versorgungsschiene 28 und der negativen Versorgungsschiene 30 geschaltet sind. Ein Eingangswiderstand 42 ist mit einem Knotenpunkt 19 verbunden, der die zwei Spannungsteilerwiderstände und den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers trennt. Ein erster Rückkopplungswiderstand 44 ist zwischen dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers geschaltet. Ein Ausgangswiderstand 48 ist zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers und einem zweiten Rückkopplungswiderstand 46 geschaltet, der seinerseits mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist. Der Eingang der ersten Operationsverstärkerstufe stellt den nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers dar und ist mit dem ersten Ausgang der Wheatstone-Brückenschaltung verbunden. Der Ausgang der ersten Operationsverstärkerstufe stellt den Knotenpunkt dar, der den Ausgangswiderstand und den zweiten Rückkopplungswiderstand verbindet.

Eine zweite Verstärkerstufe 25 umfaßt einen zweiten Operationsverstärker 50 und einen Rückkopplungswiderstand 52, der zwischen seinen invertierenden Eingang und seinen Ausgang geschaltet ist. Dieser zweite Operationsverstärker teilt sich vorzugsweise mit dem ersten Operationsverstärker ein Gehäuse in einer Dual- Operationsverstärker-Konfiguration. Der positive Spannungsversorgungsanschluß der Operationsverstärker ist mit der positiven Versorgungsschiene 28 über eine Diode 54 verbunden. Der negative Spannungsversorgungsanschluß des Operationsverstärkers ist mit der negativen Versorgungsschiene 30 verbunden. Ein zweiter Kondensator 56 ist zwischen die positiven und negativen Spannungsversorgungsanschlüsse des zweiten Operationsverstärkers geschaltet.

Die zweite Operationsverstärkerstufe 25 erhält die Ausgangsgröße der ersten Operationsverstärkerstufe 23 am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 50. Die zweite Operationsverstärkerstufe erhält auch die erste Ausgangsgröße der Wheatstone-Brückenschaltung 21, und zwar am nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers. Das Ausgangssignal 58 der Gasmeßschaltung 10 ist das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers Gemeinsam bilden die zwei Verstärkerstufen einen linearen Geräteverstärker. Bei einer Ausführungsform besitzt der Verstärker eine Gesamtverstärkung von 100.

Im Betrieb der Gasmengen-Meßschaltung 10 reagieren die ersten und zweiten Dehnungsmeßstreifen 12 und 14 auf Druckänderungen auf gleiche und entgegengesetzte Art und Weise. Insbesondere bewirken Druckerhöhungen, daß der erste Dehnungsmeßstreifen komprimiert bzw. zusammengedrückt wird, was seinerseits eine Erniedrigung seines elektrischen Widerstandes bewirkt. Auf der anderen Seite bewirken Druckerhöhungen, daß der zweite Dehnungsmeßstreifen gedehnt wird, wodurch sich dessen elektrischer Widerstand erhöht.

Die kombinierten Widerstandsänderungen der zwei Dehnungsmeßstreifen 12, 14 werden am Knotenpunkt 11 zwischen den zwei Dehnungsmeßstreifen eine Spannungserhöhung bewirken, und zwar in Abhängigkeit von einer Druckerhöhung Die Spannung am Knotenpunkt 13 zwischen den ersten und zweiten Abgleichwiderständen wird sich jedoch nicht ändern und deshalb wird die Spannungsdifferenz zwischen den ersten und zweiten Ausgängen der Wheatstone-Brückenschaltung 21 zunehmen.

Auf der anderen Seite werden Temperaturerhöhungen bewirken, daß sich sowohl der Widerstand des ersten als auch des zweiten Dehnungsmeßstreifens 12 bzw. 14 erhöht. Diese Zunahme wird einen geringen Einfluß auf die Spannung sowohl am Knotenpunkt 11 zwischen den zwei Dehnungsmeßstreifen als auch am Knotenpunkt 13 zwischen den zwei Abgleichwiderständen haben, weil der Reihenwiderstand 32 ziemlich klein ist. Der negative Temperaturkoeffizient des Dehnungsfaktors wird jedoch die Dehnungsmeßstreifen weniger empfindlich auf einen Druck bei höheren Temperaturen machen. Dies wird die Spannung zwischen den ersten und zweiten Ausgängen der Brückenschaltung 21 temperaturkompensieren, daß diese einem der Gasgesetze folgt. Dieses temperaturmodifizierte Druckmeßsignal wird um die Verstärkung des Verstärkers verstärkt und die resultierende Ausgangsspannung kann als Anzeige des "Behälter-Pegels bzw. Behälter-Füllstands" verwendet werden (um beispielsweise eine Tafelanzeige oder dergleichen anzusteuern).

Diese Schaltung ist ausgelegt, um die Druckempfindlichkeit gegen die Temperatureigenschaft des Signal- bzw. Meßwandlers so zu kompensieren, daß sie das Inverse der Gasgesetz-Gleichung für das spezielle Gas darstellt, das gerade gemessen wird.

Diese Kompensation wird vor allem aufgrund der Dehnungsmeßstreifen-Auswahl, aber auch aufgrund der Auswahl des Meßbereich-Kompensationswiderstands 24 und des Thermistors 26 bewerkstelligt, und zwar gemäß der folgenden Diskussion.

Die ideale Gasgleichung für einen festen Behälter lautet:

PVtk = mRTab

wobei:

P der Tankdruck, Vtk das Behältervolumen, m die Masse des Gases, R die Gaskonstante und Tab die absolute Temperatur des Behälters ist. Weil das Behältervolumen und die Gaskonstante jeweils konstant sind, ist die Masse des Gases proportional zum Druck und indirekt proportional zur absoluten Temperatur. Die Ausgangsgröße des Signalwandlers kann dann wie folgt kompensiert werden:

E&sub0; = P*S(T)

wobei S(T) die Empfindlichkeit des Gerätes als Funktion der Temperatur ist. S(T) wird so kompensiert, daß E&sub0; indirekt proportional zu m bzw. dem Behälter-"Füllstand" ist. Dieser Kompensation kann man einen speziellen Druck bei einer speziellen Temperatur zugrundelegen, was die Definition für "voll" darstellt, und ein auf diese Art und Weise kompensierter Sensor kann ein analoges Ausgangssignal aufweisen, das direkt proportional zur Masse des Gases in dem Behälter ist.

Für ein reales Gas kann anstelle der idealen Gasgleichung die Van der Waal'sche Gleichung verwendet werden. Insbesondere weist die Van der Waal-Gleichung:

(P + n²a/V²)) (V - bn) = n T

Lösung(en) für den Druck auf:

P = -((n²a/V) - (n³ab/V²) - nT)/(V-bn)

Für den Fall von Methan ist a = 2,253 1². ATM/MOl², b = 0,04287 l/Mol und R = 0,08206 1 ATM/(Mol K).

Bei einem Beispiel wird ein voller Behälter definiert als 20,7 MPa (3.000 psi) bei 298 K, und die Gasmenge in diesem Behälter, wenn dieser bei dieser Temperatur und diesem Druck voll ist, wird als 5 Mol angenommen. Für dieses Beispielsystem stellt die theoretische Kurve 60 in den Figuren 2 und 3 die ideale Meß- bzw. Ansprechkurve bei Verwendung des vorstehenden Beispiels und der Van der Waal'schen Gleichung dar. In Figur 2 ist diese Kurve für einen nicht kompensierten Dmck-Signalwandler längs einer Seite einer Reihe von Kurven dargestellt. Man kann aus dieser Kurve sehen, daß ein solcher Sensor bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Meßwerte für den Behälterfüllstand ergeben würde. In Figur 3 ist jedoch die gleiche ideale Kurve 60 mit dem theoretischen Ergebnis der Kompensation mit Hilfe der Schaltung aus Figur 1 gezeigt. Wie man in dieser Kurve erkennen kann, sind die Meßwerte für den Behälterfüllstand vergleichsweise unempfindlich auf die Temperatur.

Das resultierende, gewünschte Temperaturmeßverhalten des Sensors ist in Figur 4 gezeigt. Diese gewünschte Meßbereichs-Kompensationskurve kann unter Verwendung einer quadratischen Fit-Prozedur gut angepaßt werden. Insbesondere kann die Temperaturabhängigkeit eines typischen Silizium-Dehnungsmeßstreifens, der in dieser Art von Gerät verwendet wird, wie in Figur 6 gezeigt, gut durch die folgenden Gleichungen genähert werden:

S = AsT² + BsT + Cs

wobei: S = Empfindlichkeit (Dehnungsfaktor) der Dehnungsmeßstreifen, bezogen auf die Empfindlichkeit bei 300 K (80 ºF), T = Betriebstemperatur, As = 1,93 10&supmin;&sup6;, Bs = 2,3 10&supmin;&sup8;, Cs = 1,172 (A, B und C können durch Einstellen der Dotierung der Dehnungsmeßstreifen variiert werden);

Sn = As(Tn)² + BsTn + Cs

und

Kg = ArT² + BrT + Cr

wobei: Kg = Verhältnis des Dehnungsmeßstreifen-Widerstands, bezogen auf den Widerstand bei 300 K (80 ºF) (=R/Rgo), Ar = 5,839 10&supmin;&sup6;, Br = 2,56 10&supmin;³, Koeffizienten eines speziellen Silizium-Dehnungsmeßstreifens, Cr = 0,7577; und

Kgn = Ar(Tn)² + BrTn + Cr

wobei: Kg = Verhältnis des Widerstands bei der Betriebstemperatur zu (Rgo), Rgo = 1.000 Ω und Rgn = RgoKgn (Widerstand bei Betriebstemperatur (T)).

Für einen typischen Dehnungsmeßstreifen-Typ wie vorstehend beschrieben (Sn, Kg, etc.). Die in Figur 6 gezeigten Schaltungsbauteile wären wie folgt:

Rc = 2.000 Ω - typischer Kompensationswiderstand

Tho = 5.000 Ω, Thermistorwiderstand in Ω bei 298 K (77 ºF)

β = 3.400 Temperaturkoeffizient von Thermistor

Rsh = 22.000 Ω typischerweise

Rs = 50 Ω

Rs wird als Teil der Kompensations-Testprozedur verwendet. Aufgrund einer Messung der Spannung über Rs während der Test- und Kalibrationsprozedur können Berechnungen angestellt werden, um sicherzustellen, daß die Koeffizienten A, B, C richtig sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit als auch hinsichtlich des Widerstands sind. Rs wird so klein wie möglich gehalten, um seinen Einfluß auf die Empfindlichkeit bzw. das Meßverhalten zu begrenzen. Der Thermistorwiderstand bei einer vorgegebenen absoluten Temperatur T ist dann gegeben durch:

Thn = Th&sub0; exp (β(1/T-1/298K))

und Sc, die kompensierte Druckempfindlichkeit bei der Temperatur T, gleicht:

Die relative Empfindlichkeit, bezogen auf T = 300 K (80 ºF), ist gegeben durch:

SensRn = Scn/Sc&sub3;

Eine Darstellung der berechneten relativen Empfindlichkeit über die Temperatur T ist in Figur 5 gezeigt. Diese steht relativ gut im Vergleich mit der gewünschten, in Figur 4 gezeigten Kompensationskurve für Methangas. Es sei angemerkt, daß eine Genauigkeit der Messung des Behälterfüllstands auf ±5 % mehr als ausreichend für die meisten Anwendungen ist. Eine Darstellung der resultierenden Empfindlichkeit des Dehnungsmeßstreifens mit der Temperatur ist in Figur 7 gezeigt.

Es ist auch möglich, die Sensorantwort an gewünschte Abhängigkeiten anzupassen, die man von Auflistungen von Daten für ein spezielles Gas (d.h. unter Verwendung eines empirischen Gasgesetzes) erhält. Beispielsweise kann man die in dem Bericht # 8 der amerikanischen Gasgesellschaft (American Gas Association) definierten Kompressibilitätsfaktoren und den beinhalteten Computerprogramm-Ausdruck verwenden. Dieser Bericht stellt Informationen über die Eigenschaften von Gasmischungen zur Verfügung, die als "Erdgas" (Natural Gas) verkauft werden, wobei diese Gemische innerhalb der Vereinigten Staaten geographisch variieren. Eine Verwendung dieser Tabellen kann in besseren Genauigkeiten resultieren, was für gewisse Anwendungen notwendig sein kann.

Die Kompensation zieht deshalb Nutzen aus der normalerweise negativen Steigung der Dehnungsempfindlichkeit eines Silizium-Dehnungsmeßstreifens. Eine zusätzliche nicht-lineare Kompensation, falls notwendig, erreicht man unter Verwendung der Kombination aus Thermistor (Th) und Widerstand (Rsh). Das zuvor beschriebene Verfahren kann mit einem beliebigen Typ von Halbleiter-Drucksensor verwendet werden, der die geeignete Temperaturabhängigkeit seiner piezoresistiven Eigenschaften aufweist. Beispielsweise ist es möglich, gebondete Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, Druck-Signalwandler oder mikrobearbeitete Chip-Drucksensoren zu verwenden. Dieses Verfahren kann auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Temperatur-Druckabhängigkeit einer physikalischen Eigenschaft vorliegt, die für eine Flüssigkeit gemessen werden soll. Beispielsweise kann das Verfahren zur Strömungsmessung (Filter etc., wobei eine Viskositätsänderung aufgrund der Temperatur berücksichtigt werden muß), Kompressions- bzw. Drucküberwachung (um Temperaturänderungen aufgrund der Ausdehnung und Kompression der Gase zu kompensieren) und zur Kühlung (um den Zustand des Kühlmittels bei einem speziellen Punkt in dem Zyklus zu messen) verwendet werden.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Messung einer Eigenschaft bzw. Größe, die eine Funktion sowohl vom Druck als auch von der Temperatur eines Gases ist, welche umfaßt: Eine Wheatstone-Brücke, die erste und zweite Eingangsknoten (15, 17) zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung aufweist, erste und zweite Ausgangsknoten (11, 13), um für ein Ausgangssignal zu sorgen, und vier Arme, die jeden der Eingangsknoten mit jedem der Ausgangsknoten verbinden, wobei erste und zweite der vier Arme, die mit dem ersten Ausgangsknoten verbunden sind, erste bzw. zweite primäre Meß bzw. Fühlelemente (12, 14) umfassen, die ausgelegt bzw. angeordnet sind, um entgegengesetzt auf den Druck des Gases anzusprechen und um Dehnungsfaktoren aufzuweisen, die in ähnlicher Weise auf die Temperatur des Gases ansprechen, so daß das Ausgangssignal im wesentlichen proportional zu der zu messenden Gaseigenschaft ist; gekennzeichnet durch: ein kompensierendes Meß bzw. Fühlelement (26), das in einem fünften Arm zwischen den ersten und zweiten Ausgangsknoten geschaltet ist, wobei das kompensierende Meßelement ausgelegt bzw. angeordnet ist, daß es alleinig auf die Temperatur des Gases anspricht, um die Proportionalität zwischen dem Ausgangssignal und der zu messenden Gaseigenschaft zu verbessern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das kompensierende Meß bzw. Fühl element einen Thermistor (26) umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der fünfte Arm einen Widerstand (24) in Reihe mit dem kompensierenden Meßelement aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes der primären Meßelemente einen Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen (12, 14) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder der ersten und zweiten Arme einen jeweiligen Widerstand (16, 18) in Reihe mit dem jeweiligen primären Meßelement umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, kombiniert mit einer Einrichtung zur Versorgung mit einer Versorgungsspannung über die ersten und zweiten Eingangsknoten der Brücke, und ein Mittel zur Messung der Spannung über die ersten und zweiten Ausgangsknoten der Brücke.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, kombiniert mit einem Behälter mit festem Volumen zur Aufbewahrung bzw. Speicherung von Gas, wobei die primären Meß bzw. Fühlelemente ausgelegt bzw. angeordnet sind, daß sie auf den Druck und die Temperatur des Gases ansprechen, und das kompensierende Meßelement ausgelegt ist, daß es auf die Temperatur des Gases anspricht, so daß das Ausgangssignal im wesentlichen proportional zur Gasmenge in dem Behälter ist.







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