Höchstauflösender Drucksensor zur Leckagemessung pneumatischer Systeme - Dropalla, Christof (Technische Universität Dortmund, 2010)
Die schnelle Detektion von Leckagen pneumatischer Systeme mittels eines Drucksensors zur Differenzdruckmessung gegen Atmosphäre setzt ein hohes Auflösevermögen des Sensors voraus. In Bezug darauf ist die Untersuchung von Druckmessverfahren, deren Auflösevermögen eine Unterteilung des Messbereichs in mindestens 10^6 Stufen erlaubt und der Nachweis des Auflösevermögens durch einen Prototyp, Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Das Sensorkonzept sieht eine elastische Platte zur Druckaufnahme vor, deren Verformung, als Resultat der Untersuchungen und Bewertungen von verschiedenen Druckmessverfahren, kapazitiv ausgewertet wird. Sowohl der Zusammenhang zwischen eingeprägtem Druck und Verformung der Platte als auch die auftretende Beanspruchung derselben werden bestimmt. Hierzu findet ein linearer und für größere Verformungen, die hier eine Rolle spielen, ein nichtlinearer Ansatz Verwendung. Die Auswertung der Plattenverformung erfolgt mittels eines Messkondensators, der, nach Bewertung von Kapazitätsmessverfahren, als frequenzbestimmendes Glied in einem LC-Schwingkreis dient. Die Schwingfrequenz des Oszillators erlaubt unter Kenntnis der druckabhängigen Plattenverformung bzw. der daraus resultierenden Kapazität eine Aussage über den herrschenden Druck. Hierzu wird die Analyse der sich ergebenden Kapazität des Sensors durchgeführt. Zu dem wird ein zweites Konzept realisiert, welches zum Vergleich der Verfahren, einen kommerziell erhältlichen Kapazität zu Digitalwert-Umsetzer vorsieht. Von den möglichen Schaltungstypen der Oszillatoren wird eine Schaltung realisiert, die auf einem Franklin-Oszillator basiert. Sie erlaubt die hier vorausgesetzte Anbindung eines geerdeten Kondensators und weist ein geringes Frequenz- bzw. Phasenrauschen auf. Es erfolgt die Analyse der Oszillatorschaltung und des Rauschverhaltens, die eine Abschätzung der Frequenzschwankungen erlaubt. Ferner wird eine Optimierung der Bauteilparameter im Bezug auf ein geringes Phasenrauschen aufgezeigt. Zur Messung der Oszillatorfrequenz werden verschiedene Verfahren untersucht und bewertet. Daraus resultierend erfolgt hier die Frequenzmessung nach dem Verfahren der Frequenzverhältnismessung kombiniert mit der Schwebungsfrequenzmessung (Signalmischung). Mit Hilfe umfangreicher Experimente wurde nachgewiesen, dass es in dieser Arbeit gelungen ist, einen neuen Drucksensor mit einer relativen Druckauflösung von $dp/pmax < 2-3x10^ -7$, vorzustellen. Dabei kann der realisierte Sensorprototyp in einem Druckbereich von 0-1 MPa Differenzdruck gegen Atmosphäre arbeiten, ohne dass dazu Umschaltungen des Messbereichs nötig wären. Zudem zeichnet sich der Prototyp durch eine sehr einfache Konstruktion und damit auch durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Für eine Serienfertigung ist die verwendete elektronische Schaltung leicht auf einem Chip integrierbar.
Keywords: Leckage; Leckagemessung; Leckageratemesung; Auflösung; Druck; Druckmessung; Drucksensor; Platte; Plattentheorie; Oszillator; Franklin-Oszillator; Phasenrauschen; Frequenzmessung; Druckmodulator; 620; 670