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WO2020025520A1 - Verfahren zur funktionsüberwachung einer druckmesszelle eines kapazitiven drucksensors - Google Patents

Verfahren zur funktionsüberwachung einer druckmesszelle eines kapazitiven drucksensors Download PDF

Info

Publication number
WO2020025520A1
WO2020025520A1 PCT/EP2019/070318 EP2019070318W WO2020025520A1 WO 2020025520 A1 WO2020025520 A1 WO 2020025520A1 EP 2019070318 W EP2019070318 W EP 2019070318W WO 2020025520 A1 WO2020025520 A1 WO 2020025520A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
measuring
signal
capacitor
measuring cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/070318
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz Walter
Manfred Maurus
Original Assignee
Ifm Electronic Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ifm Electronic Gmbh filed Critical Ifm Electronic Gmbh
Publication of WO2020025520A1 publication Critical patent/WO2020025520A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/007—Malfunction diagnosis, i.e. diagnosing a sensor defect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the function of a pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor.
  • Capacitive pressure sensors or pressure measuring devices are used in many
  • Capacitive pressure measuring cells consist of a ceramic base body and a membrane, a glass solder ring being arranged between the base body and the membrane.
  • the resulting cavity between the base body and the membrane enables the longitudinal mobility of the membrane as a result of an influence of pressure. This cavity is therefore also called the measuring chamber.
  • Base body electrodes are provided, which together form one
  • the membrane is deformed by the action of pressure, which results in a change in the capacitance of the measuring capacitor.
  • PLCs higher-level control units
  • a capacitive pressure sensor is known from DE 198 51 506 C1, in which the pressure measurement value from the quotient of two capacitance values, one
  • Measuring capacitor and a reference capacitor is determined.
  • a pressure measuring cell is not specifically described in this patent specification
  • Circuit shown and the method described is suitable for capacitive pressure measuring cells.
  • the special thing about this pressure measuring device is that for the evaluation of the measurement signal at the output, as a measure of the detected
  • EP 0 569 573 B1 describes a circuit arrangement for a capacitive circuit
  • CM + CR ' CM + CR '
  • Reference capacitor and p denotes the process pressure to be determined.
  • leakage currents on the back of the measuring cell, facing away from the medium to be measured, or in parts of the evaluation electronics, which lead to signal drift, can be problematic.
  • the cause of these leakage currents can be, for example, a condensing air humidity inside the measuring device.
  • Pressure sensors are called DE 103 33 154 A1 and DE 10 2014 201 529 A1.
  • the object of the invention is a method for monitoring the function of a
  • the core of the invention is the finding that moisture on the back of the measuring cell or the parts of the evaluation electronics facing away from the medium to be measured and the resulting leakage currents result in a change in the measuring signal in the form of an alternating square-wave signal. Instead of uniform rectangular pulses with a constant one during the pulse width
  • the amplitude or pulse height is the amplitude of the faulty measurement signal or pulse height is no longer constant, but increases or decreases during the pulse duration.
  • the method according to the invention provides that per period of the square-wave signal during at least one pulse width, i.e. either a positive or during a negative pulse or during both pulses, the pulse height is measured at least twice and the measured voltage values are stored in a memory.
  • the at least two voltage values per pulse width are compared with one another in terms of amount, for example by forming a difference, and an error signal is generated if there is a significant deviation from one another.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a capacitive pressure measuring device
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a capacitive
  • FIG. 3 shows a known evaluation circuit for a capacitive pressure measuring cell according to FIG. 2,
  • Figure 4 shows a comparison of an error-free measurement signal and one by
  • FIG. 5 shows the evaluation circuit from FIG. 3, supplemented by a microcontroller
  • FIG. 1 shows a block diagram of a typical capacitive pressure measuring device that is used to measure a process pressure p (e.g. of oil, milk, water, etc.).
  • the pressure measuring device 1 is designed as a two-wire device and essentially consists of a pressure measuring cell 10 and evaluation electronics 20.
  • the evaluation electronics 20 has an analog evaluation circuit 30 and a microcontroller pC in which the analog output signal of the evaluation circuit 20 is digitized and further processed ,
  • the microcontroller pC provides that
  • the pressure measuring device 1 is connected to a for power supply
  • FIG. 2 shows a typical capacitive pressure measuring cell 10, as is used in a variety of ways in capacitive pressure measuring devices, in a schematic illustration.
  • the pressure measuring cell 10 essentially consists of a base body 12 and a membrane 14, which are connected to one another via a glass solder ring 16.
  • the base body 12 and the membrane 14 delimit a flume space 19, which - preferably only at low pressure ranges up to 50 bar - over one
  • Vent channel 18 is connected to the rear of the pressure measuring cell 10.
  • Electrodes which have a reference capacitor CR and a
  • the measuring capacitor CM is by the
  • Membrane electrode ME and the center electrode M formed, the reference capacitor CR by the ring electrode R and the membrane electrode ME.
  • the process pressure p acts on the membrane 14, which corresponds to the
  • Ring electrode R and membrane electrode ME changed less than the distance between membrane electrode ME and center electrode M.
  • CM and CR therefore designate both the measuring or reference capacitor itself and its capacitance.
  • a known evaluation circuit 30 for the pressure measuring cell 10 is shown in more detail in FIG.
  • the measuring capacitor CM is arranged together with a resistor Ri in an integrating branch IZ and the reference capacitor CR together with a resistor R2 in a differentiating branch DZ.
  • Integrating branch IZ has a square wave voltage UEO, which is preferably
  • the input voltage UEO is over the
  • Converted voltage signal (depending on the polarity of the input voltage), which is output at the output COM of the integrating branch IZ.
  • the measuring point P1 is virtually grounded through the operational amplifier OP1.
  • the output COM is connected to a threshold value comparator SG, which controls a square-wave generator RG. As soon as the voltage signal at the output COM exceeds or falls below a threshold value, the comparator SG changes its output signal, whereupon the square-wave generator RG inverts its output voltage in each case.
  • the differentiating branch DZ further consists of an operational amplifier OP2, a voltage divider with the two resistors R5 and R6 and one
  • the output of the operational amplifier OP2 is connected to a sample and hold circuit S&H. At the output of the sample-and-hold circuit S&H is the measuring voltage U Mess , from which the process pressure p, which acts on the pressure measuring cell 10, is obtained.
  • Operational amplifier OP 1 ensures that the connection point P1 between the resistor Ri and the measuring capacitor CM is virtually kept at ground. As a result, a constant current h flows through the resistor Ri, which is the
  • Measuring capacitor CM charges until the square wave voltage UEO changes its sign.
  • Operational amplifier OP2 therefore has a square wave voltage U R, the amplitude of which depends on the quotient of the two time constants. It can easily be shown that the amplitude is directly proportional to the process pressure p ⁇ CR / CM - 1, the dependence being essentially linear.
  • the amplitude can be set via the voltage divider, which is formed by the two resistors R5 and R6.
  • Measuring voltage Ü Mess is output at the output of the operational amplifier OP3 and passed on to the microcontroller mq (not shown). However, it could also be output directly as an analog value.
  • the amplitude of the input voltage UEO, which is present at the output of the rectangular generator RG, is dependent on the
  • a voltage divider consisting of resistors R20 and R10 is provided for this. This voltage divider is connected to a reference voltage VREF and can advantageously be adjusted.
  • the positive operating voltage V + is typically +2.5 V and the negative operating voltage V- is -2.5 V.
  • Pulse height has more, but increases during a positive pulse and decreases during a negative pulse.
  • the pulse height of the measurement signal UR per period is measured at least twice during at least one pulse width duration, ie either a positive or during a negative pulse or during both pulses, and the measured voltage values are stored in a memory.
  • Pressure values may be subject to drift.
  • the situation shown arises, for example, in that, in the event of moisture on the back of the measuring cell facing away from the medium to be measured, the low-resistance driven COM connection (see FIGS. 3 and 5) separates the leakage current and the two high-resistance CMs are at zero. and C R connectors absorb the leakage.
  • the measuring capacitor CM or the reference capacitor CR experiences the greater influence on the leakage current.
  • the signal curve in FIG. 4 depicts the situation in which the measuring capacitor CM experiences the greater influence. Should the
  • Reference capacitor CR would experience the greater influence would result in a falling signal curve instead of an increasing signal curve and an increasing signal curve instead of a falling signal pulse during the pulse.
  • FIG. 5 shows in principle the evaluation circuit known from FIG. 3, which is, however, supplemented by a microcontroller pC.
  • the comparator oscillator SG from FIG. 3 is integrated into this microcontroller pC and, on the other hand, it contains the units necessary for carrying out the method according to the invention: a timer 60, a memory 40 and a CPU 50 as a processing unit.
  • the elements located outside the microcontroller pC are essentially identical and are therefore also labeled identically. To avoid
  • the output signal of the threshold value comparator SG is fed back again in order to control the square-wave generator RG, which is already known from FIG. 3.
  • this signal is fed to the timer 60.
  • the temporal period behavior of the triangular signal is logged, in particular with regard to reaching the set threshold values.
  • the period duration which is fed to the CPU 50 is derived from this.
  • the period of this triangular signal in the present case is identical to that of the actual measurement signal UR , SO that the detection of the period is particularly advantageous in this way.
  • microcontroller pC comprises a memory 40, which is initially the currently measured pressure value p x in the form of that known from FIG. 3
  • Voltage signal UR is supplied.
  • the pressure value p x is also given to the switch_out or analog_out output of the microcontroller pC in order to output the measured pressure values as a switching or analog signal.
  • the sample & flold circuit S&H known from FIG. 3 as part of the evaluation circuit shown there is then likewise integrated into the microcontroller pC and is reproduced there in an identical manner.
  • a trigger signal is further supplied to the memory 40, which the CPU 50 generates from the period.
  • This trigger signal defines exactly at which point in time or more precisely at which two points in time the pulse height of the voltage signal UR is to be stored during the pulse duration.
  • the two are detected in the CPU 50 during a rectangular pulse
  • Deviation from a specified tolerance band generates an error signal which is output at the diag_out output.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Biomedical Technology (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle (10) eines kapazitiven Drucksensors (1), wobei die Druckmesszelle (10) einen druckabhängigen Messkondensator (CM) und einen druckabhängigen Referenzkondensator (CR) aufweist und der Druckmesswert (p) als Messsignal aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (CM) und des Referenzkondensators (CR) gewonnen wird, wobei das Messsignal einer Auswerteeinheit in Form eines alternierenden Rechtecksignals UR zugeführt wird, dessen Pulshöhe vom Quotienten der Kapazitätswerte von Referenzkondensator (CR) und Messkondensator (CM) abhängt, wobei pro Periode des alternierenden Rechtecksignals UR während zumindest einer Pulsbreite wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher (40) abgelegt werden, und wobei die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite betragsmäßig miteinander verglichen werden und bei einer signifikanten Abweichung zueinander ein Fehlersignal generiert wird.

Description

Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors.
Kapazitive Drucksensoren bzw. Druckmessgeräte werden in vielen
Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine
Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
Kapazitive Druckmesszellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. Dieser Hohlraum wird daher auch als Messkammer bezeichnet. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des
Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen
Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.
Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur
Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
Aus der DE 198 51 506 C1 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem der Druckmesswert aus dem Quotienten zweier Kapazitätswerte, eines
Messkondensators und eines Referenzkondensators, ermittelt wird. In dieser Patentschrift ist eine Druckmesszelle zwar nicht speziell beschrieben, die
dargestellte Schaltung und das beschriebene Verfahren ist aber für kapazitive Druckmesszellen geeignet. Das Besondere an diesem Druckmessgerät ist, dass für die Auswertung des Messsignals am Ausgang, als Maß für den erfassten
Druckmesswert, lediglich die Amplitude des Rechtecksignals relevant ist, unabhängig von dessen Frequenz. Aus der EP 0 569 573 B1 ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven
Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls ein Quotientenverfahren zur
Druckauswertung eingesetzt wird.
Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus:
CM - CR
oder p
Figure imgf000004_0001
CM + CR’ wobei CM die Kapazität des Messkondensators, CR die Kapazität des
Referenzkondensators und p den zu bestimmenden Prozessdruck bezeichnet.
Denkbar ist auch die Möglichkeit, CM und CR im Quotienten zu vertauschen. Das angegeben Beispiel mit CM im Nenner stellt allerdings zugunsten der
Eigenlinearisierung die gebräuchlichste Form dar. Im Folgenden wird daher von dieser Ausführungsform ausgegangen, sofern nicht anders angegeben.
Die Zuverlässigkeit bei kapazitiven Drucksensoren gewinnt immer mehr an
Bedeutung. Problematisch können Kriechströme auf der - dem zu messenden Medium abgewandten - Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswerteelektronik sein, die zu einer Signaldrift führen. Ursache für diese Kriechströme kann bspw. eine kondensierende Luftfeuchtigkeit im Inneren des Messgeräts sein.
Als Stand der Technik bzgl. einer Funktionsüberwachung von kapazitiven
Drucksensoren wird die DE 103 33 154 A1 und die DE 10 2014 201 529 A1 genannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer
Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors vorzuschlagen, durch das ein Fehlereinfluss auf das Messergebnis aufgrund von insbesondere
feuchtigkeitsbedingten Kriechströmen ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist die Erkenntnis, dass Feuchtigkeit auf der dem zu messenden Medium abgewandten Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswerteelektronik und die daraus resultierenden Kriechströme eine Veränderung des in Form eines alternierenden Rechtecksignals vorliegenden Messsignals nach sich zieht. Anstatt gleichmäßiger Rechteckimpulse mit einer während der Pulsbreite konstanten
Amplitude bzw. Pulshöhe ist bei dem fehlerbehafteten Messsignal die Amplitude bzw. Pulshöhe nicht mehr konstant, sondern ist während der Pulsdauer ansteigend oder abfallend.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Erkennung derartiger fehlerbehafteten Messsignale vor, dass pro Periode des Rechtecksignals während zumindest einer Pulsbreite, d.h. entweder eines positiven oder während eines negativen Impulses oder während beiden Impulsen, wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher abgelegt werden.
Schließlich werden die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite bspw. durch Differenzbildung betragsmäßig miteinander verglichen werden und bei einer signifikanten Abweichung zueinander wird ein Fehlersignal generiert.
Somit ist es möglich, mit der vorhandenen Auswerteschaltung und damit ohne zusätzliche Bauteile durch eine geschickte Signalauswertung eine
Funktionsüberwachung der Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors durchzuführen und durch Kriechströme hervorgerufene resistive Fehlereinflüsse schnell und frühzeitig zu erkennen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Druckmessgeräts,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven
Druckmesszelle,
Figur 3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß Figur 2,
Figur 4 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Messsignals und eines durch
Kriechströme beeinflussten Messsignals und
Figur 5 die Auswerteschaltung aus Fig. 3, ergänzt um einen Mikrocontroller zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In Figur 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Druckmessgeräts dargestellt, der zur Messung eines Prozessdrucks p (z. B. von Öl, Milch, Wasser etc.) eingesetzt wird. Das Druckmessgerät 1 ist als Zwei-Leiter-Gerät ausgeführt und besteht im Wesentlichen aus einer Druckmesszelle 10 und einer Auswerteelektronik 20. Die Auswerteelektronik 20 weist eine analoge Auswerteschaltung 30 und einen Mikrocontroller pC auf, in dem das analoge Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller pC stellt das
Auswerteergebnis als digitales oder analoges Ausgangssignal z. B. einer SPS zur Verfügung. Zur Energieversorgung ist das Druckmessgerät 1 an eine
Spannungsversorgungsleitung (12 - 36 V) angeschlossen.
Figur 2 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Druckmessgeräten eingesetzt wird, in schematischer Darstellung. Die Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Membran 14, die über einen Glaslotring 16 miteinander verbunden sind. Der
Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Flohlraum 19, der - vorzugsweise nur bei niedrigen Druckbereichen bis 50 bar - über einen
Entlüftungskanal 18 mit der Rückseite der Druckmesszelle 10 verbunden ist.
Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere
Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator CR und einen
Messkondensator CM bilden. Der Messkondensator CM wird durch die
Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator CR durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.
Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der
Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators CM. Der Einfluss auf den Referenzkondensator CR ist geringer, da sich der Abstand zwischen
Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.
Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem
Kapazitätswert nicht unterschieden. CM und CR bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität. ln Figur 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator CM ist zusammen mit einem Widerstand Ri in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator CR zusammen mit einem Widerstand R2 in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des
Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung UEO an, die vorzugsweise
symmetrisch um 0 Volt alterniert. Die Eingangsspannung UEO wird über den
Widerstand Ri und den Messkondensator CM mithilfe eines Operationsverstärkers OP1 , der als Integrator arbeitet, in ein linear ansteigendes bzw. abfallendes
Spannungssignal (je nach Polarität der Eingangsspannung) umgewandelt, das am Ausgang COM des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Der Messpunkt P1 liegt dabei durch den Operationsverstärker OP1 virtuell auf Masse.
Der Ausgang COM ist mit einem Schwellwert-Komparator SG verbunden, der einen Rechteckgenerator RG ansteuert. Sobald das Spannungssignal am Ausgang COM einen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, ändert der Komparator SG sein Ausgangssignal, woraufhin der Rechteckgenerator RG seine Ausgangsspannung jeweils invertiert.
Der Differenzierzweig DZ besteht weiter aus einem Operationsverstärkers OP2, einem Spannungsteiler mit den beiden Widerständen R5 und R6 und einem
Rückführungswiderstand R7. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Sample-and-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and- Hold-Schaltung S&H liegt die Messspannung UMess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.
Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der
Operationsverstärker OP 1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand Ri und dem Messkondensator CM virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom h über den Widerstand Ri, der den
Messkondensator CM solange auflädt, bis die Rechteckspannung UEO ihr Vorzeichen wechselt.
Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass für den Fall Ri= R2 und CM = CR der Messpunkt P2 im Differenzierzweig DZ sogar dann auf dem gleichen Potenzial wie der Messpunkt P1 , also auf Masseniveau, liegt, wenn die Verbindung zwischen dem Messpunkt P2 und dem Operationsverstärker OP2 nicht vorhanden wäre. Dies gilt nicht nur in diesem speziellen Fall, sondern immer dann, wenn die Zeitkonstanten Ri * CM und R2 * CR zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände Ri bzw. R2 entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators CM durch Druckeinwirkung ändert, ist die Bedingung der Gleichheit der Zeitkonstanten im Integrierzweig IZ und im
Differenzierzweig DZ nicht mehr gegeben und das Potenzial am Messpunkt P2 würde vom Wert Null abweichen. Dieser Änderung wird aber unmittelbar von dem Operationsverstärker OP2 entgegengewirkt, da der Operationsverstärker OP2 den Verbindungspunkt P2 weiterhin virtuell auf Masse hält. Am Ausgang des
Operationsverstärkers OP2 liegt deshalb eine Rechteckspannung U R an, deren Amplitude vom Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ CR/CM - 1 ist, wobei die Abhängigkeit im Wesentlichen linear ist. Die Amplitude lässt sich über den Spannungsteiler, der durch die beiden Widerstände R5 und R6 gebildet wird, einstellen.
Über eine Sample&Hold-Schaltung S&H werden die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals betragsmäßig addiert, der Betrag A als
Messspannung ÜMess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller mq (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Amplitude der Eingangsspannung UEO, die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der
Messspannung ÜMess eingestellt, um eine bessere Linearität zu erzielen. Hierfür ist ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R20 und R10 vorgesehen. Dieser Spannungsteiler ist mit einer Referenzspannung VREF verbunden und vorteilhafterweise abgleichbar.
Die positive Betriebsspannung V+ liegt typischerweise bei +2,5 V und die negative Betriebsspannung V- bei -2,5 V.
In Figur 4 sind idealisiert ein fehlerfreies Messsignal (oben) und ein durch
Kriechströme beeinflusstes Messsignal (unten) gegenübergestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass das fehlerbehaftete Signal keine konstante Amplitude bzw.
Pulshöhe mehr aufweist, sondern während eines positiven Impulses ansteigend und während eines negativen Impulses abfallend verläuft. Zur Erkennung dieser Situation wird erfindungsgemäß die Pulshöhe des Messsignals UR pro Periode während zumindest einer Pulsbreitendauer, d.h. entweder eines positiven oder während eines negativen Impulses oder während beiden Impulsen, wenigstens zweimal gemessen und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher abgelegt. Durch einen betragsmäßigen Vergleich der wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite, bspw. durch eine Differenzbildung, kann ein derartiger Signalverlauf, wie er im unteren Diagramm dargestellt ist, erkannt und der Anwender darauf hingewiesen werden, dass ein entsprechender Fehlereinfluss vorliegt, so dass die gemessenen
Druckwerte möglicherweise driftbehaftet sind.
Die dargestellte Situation stellt sich bspw. dadurch ein, dass bei Feuchtigkeit auf der dem zu messenden Medium abgewandten Messzellen-Rückseite der niederohmig getriebene COM-Anschluss (vgl. Fig. 3 und 5) den Kriechstrom absondert und die beiden hochohmig auf Null liegenden CM- und CR-Anschlüsse den Kriechstrom aufnehmen. Je nachdem, wohin sich eine stromfließfähigere Strecke ausgebildet hat, erfährt der Messkondensator CM oder der Referenzkondensator CR die größere Kriechstrombeeinflussung. Der Signalverlauf in Fig. 4 bildet die Situation ab, dass der Messkondensator CM die größere Beeinflussung erfährt. Sollte der
Referenzkondensator CR die größere Beeinflussung erfahren, würde sich während des Pulses statt eines ansteigenden ein abfallender Signalverlauf und statt eines abfallenden ein ansteigender Signalverlauf ergeben.
Figur 5 zeigt im Grundsatz die aus Fig. 3 bekannte Auswerteschaltung, welche jedoch um einen Mikrocontroller pC ergänzt ist. In diesen Mikrocontroller pC ist zum einen der Komparator-Oszillator SG aus Fig. 3 integriert und zum anderen enthält er die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Einheiten: einen Timer 60, einen Speicher 40 und eine CPU 50 als Verarbeitungseinheit. Die sich außerhalb des Mikrocontrollers pC befindlichen Elemente sind im Wesentlichen identisch und deshalb auch identisch bezeichnet. Zur Vermeidung von
Wiederholungen wird im Folgenden nur auf die für die Erfindung wesentlichen Elemente eingegangen.
Das Ausgangssignal des Schwellwert-Komparators SG wird zum einen wieder zurückgeführt, um den Rechteckgenerator RG anzusteuern, was bereits aus Fig. 3 bekannt ist. Zum anderen wird dieses Signal dem Timer 60 zugeführt. In dem Timer 60 wird das zeitliche Periodenverhalten des Dreiecksignals protokolliert, insbesondere hinsichtlich des Erreichens der gesetzten Schwellwerte. Daraus wird die Periodendauer abgleitet, welche der CPU 50 zugeführt wird. Die Periodendauer dieses Dreiecksignals ist im vorliegenden Fall identisch mit dem des eigentlichen Messsignals UR, SO dass die Erfassung der Periodendauer auf diese Weise besonders vorteilhaft ist.
Des Weiteren umfasst der Mikrocontroller pC einen Speicher 40, welchem zunächst der aktuell gemessene Druckwert px in Form des aus Fig. 3 bekannten
Spannungssignals UR zugeführt wird. Parallel dazu, und aus Darstellungsgründen nicht weiter gezeigt, wird der Druckwert px auch an den Ausgang switch_out bzw. analog_out des Mikrocontrollers pC gegeben, um die gemessenen Druckwerte als Schalt- oder Analogsignal auszugeben. Die aus Fig. 3 bekannte Sample&Flold- Schaltung S&H als Teil der dort gezeigten Auswerteschaltung ist dann ebenfalls in den Mikrocontroller pC integriert und dort funktional identisch nachgebildet.
Dem Speicher 40 wird des Weiteren ein Triggersignal zugeführt, welches die CPU 50 aus der Periodendauer generiert. Durch dieses Triggersignal wird genau definiert, zu welchem Zeitpunkt bzw. genauer gesagt zu welchen beiden Zeitpunkten während der Pulsdauer die Pulshöhe des Spannungssignals UR gespeichert werden soll.
Diese Zeitpunkte sind vorteilhafterweise am Anfang und am Ende des positiven und/oder negativen Rechteckimpulses.
In der CPU 50 werden die zwei während eines Rechteckimpulses erfassten
Spannungswerte betragsmäßig miteinander verglichen und bei signifikanter
Abweichung von einem vorgegebenen Toleranzband ein Fehlersignal generiert, welches am Ausgang diag_out ausgegeben wird.
Bezugszeichenliste
1 Druckmessgerät
10 Druckmesszelle
12 Grundkörper
14 Membran
16 Glaslotring
18 Entlüftungskanal
19 Hohlraum
20 Auswerteelektronik
30 Auswerteschaltung 40 Speicher
50 Verarbeitungseinheit, CPU 60 Timer
CM Messkondensator CR Referenzkondensator
M Mittelelektrode
R Ringelektrode
ME Membranelektrode IZ Integrierzweig
DZ Differenzierzweig
SG Schwellwert-Komparator RG Rechteckgenerator

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle (10) eines
kapazitiven Drucksensors (1 ), wobei die Druckmesszelle (10) einen druckabhängigen Messkondensator (CM) und einen druckabhängigen Referenzkondensator (CR) aufweist und der Druckmesswert (p) als Messsignal aus den Kapazitätswerten des
Messkondensators (CM) und des Referenzkondensators (CR) gewonnen wird, wobei das Messsignal einer Auswerteeinheit in Form eines alternierenden Rechtecksignals UR zugeführt wird, dessen Pulshöhe vom Quotienten der Kapazitätswerte von Referenzkondensator (CR) und Messkondensator (CM) abhängt, wobei pro Periode des alternierenden Rechtecksignals UR während zumindest einer Pulsbreite eines positiven und/oder negativen Rechteckimpulses des alternierenden Rechtecksignals UR wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher (40) abgelegt werden, wobei die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite betragsmäßig miteinander verglichen werden und bei einer signifikanten Abweichung zueinander ein Fehlersignal generiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei die Abspeicherung der Werte für die Pulshöhe und deren Vergleich in einem Mikrocontroller (pC) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Mikrocontroller (pC) einen Timer (60), einen Speicher (40) sowie eine Verarbeitungseinheit (50) umfasst.
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