CN103748447B - 一种操作具有电容变送器的绝对压力或相对压力传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作压力传感器的方法，所述压力传感器包括测量膜片，至少一个对置体和具有在测量膜片上的电极和空间位置固定的对电极之间的两个压力相关电容的电容变送器，其中测量膜片以压力密闭的方式将体积分为两个体积部，其中第二体积部封闭在测量膜片和对置体间的测量腔内，其中测量膜片的偏移取决于压力测量变量p，其为体积部内的第一压力p₁和第二压力p₂之间的差，其中压力测量变量p由两个电容产生，其中，对于完好无损的压力传感器，第二电容为第一电容以及在给定情况下的温度的预定函数，其中方法具有如下步骤：捕捉两个电容的值对；检测值对是否在容限范围内符合预定函数；并且如果在太长的时间内情况不符合，则确定传感器的变化或损坏。

Description

一种操作具有电容变送器的绝对压力或相对压力传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种操作具有电容变送器的绝对或相对压力传感器的方法。

这样的压力传感器包括测量膜片，或者隔膜，至少一个平台以及具有至少第一压力相关电容和第二压力相关电容的电容变送器，

其中该测量膜片压力密闭地将体积分为第一体积部和第二体积部，其中第二体积部封闭在测量膜片和平台之间的测量腔内，

其中测量膜片的偏移取决于压力测量变量p，其为第一体积部内的第一压力p₁与测量腔内的第二体积部内的第二压力p₂之间的差，

其中在每种情况下测量测量膜片上的电极和具有基本上与压力不相关位置的对电极之间的第一电容和第二电容，

其中作为第一电容和第二电容的函数确定各个压力测量变量p的当前值。

背景技术

压力测量变量p和两个电容之间的准确关系特别依赖于电极关于测量膜片的位置以及测量膜片的弯曲特性。如果采用结构方式固定边界条件，作为电容的当前测量值，以及在一定情况下的其他扰动变量，例如温度的函数，确定压力测量变量p。然而，这假定了会影响传递函数的压力传感器的结构相关特性是足够稳定的，并且特别是该压力传感器至少处于足够的热平衡，从而使得特性不会偏离平衡状态太多。

公开文本EP2189774A1公开了一种快速温度变化的补偿方法，该方法依赖于如下特征，包括：针对被测电容C_p的测量值(这里指定为C_m)，参考电容C_r的测量值与参考电容C_r的期望值比较，所述参考电容C_r的期望值由被测电容C_p的测量值产生，并且其中当参考电容的测量值处于期望值附近的容限范围之外时，会检测到温度跳变，并且其中对于压力测量值，确定修正函数，该修正函数具体应该修正温度跳变对压力测量值的影响。在所述公开文本中，教导了将传递函数的变化解释为温度跳变的结果，并且相应的在评估中基于模型对电容进行补偿。尽管该方法具有其优点，如果传递函数变化具有其他原因，例如，测量单元内的永久改变，特别是对测量单元的损坏，该方法做出错误判断。因此该方法具有测量单元内的上述变化没有被检测到的危险，并且实际上结果是人们会认为做出了正确的压力测量值，而实际上，其结果是，最终的测量值是完全错误的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种对该情况的补救措施。

通过独立权利要求1所限定的方法实现根据本发明的目的。

本发明提供了一种操作压力传感器的方法，

其中，压力传感器包括测量膜片，至少一个平台以及具有至少第一压力相关电容和第二压力相关电容的电容变送器，

其中该测量膜片压力密闭地将体积分为第一体积部和第二体积部，其中第二体积部封闭在测量膜片和平台之间的测量腔内，

其中测量膜片的偏移取决于压力测量变量p，其为第一体积部内第一压力p₁与测量腔内的第二体积部内第二压力p₂之间的差，

其中在每种情况下测量测量膜片上的电极和具有基本上与压力不相关位置的对电极之间的第一电容和第二电容，

其中作为第一电容和第二电容的函数确定各个压力测量变量p的当前值，并且

其中，对于完好无损的处于热平衡的压力传感器，，第二电容表示为第一电容和在给定情况下，温度的预定函数，

其中方法具有如下步骤：

监控第一电容和第二电容的记录值对是否实际在预定容限范围内符合预定函数的关系，并且

当在比时间极限值持续更长的时间段中不符合时，确定传感器的变化和/或损坏。

在本发明的进一步发展中，时间极限值为预定极限值，特别是时间常数或者该时间常数的倍数，其描述了温度跳变后到达压力传感器的平衡状态。

该倍数可以是大于1的任意有理数，特别是整数。

在本发明的进一步发展中，时间极限值是第一电容和第二电容的值从函数关系的偏离的函数。

在本发明的进一步发展中，完好无损的压力传感器具有第一完好无损的操作状态和第二完好无损的操作状态，其中，对于处于第一操作状态的热平衡中的完好无损的压力传感器，第二电容表示为第一电容，以及在给定情况下，温度的第一预定函数，其中对于处于第二操作状态的热平衡中的完好无损的压力传感器，第二电容表示为第一电容，以及给定情况下，温度的第二预定函数，

其中所述方法包括：

记录第一电容和第二电容的值对，

测试第一电容和第二电容的记录值对是否实际上在预定容限范围内符合预定函数之一的关系，并且

当在比时间极限值持续更长的时间段中不符合时，确定传感器的变化和/或损坏。

在本发明的进一步发展中，压力传感器从第一完好无损操作状态不可逆地转换为第二操作状态。

预定函数相应地也可以特别为多个函数中的选定函数，每一个函数都对应于多个确定操作状态中的一个。

在这种情况下，首先检查该传感器是否处于第一操作状态。如果该传感器不处于第一操作状态，就应当检查传感器是否处于第二操作状态。然后如果在比时间极限值持续更长的时间段中传感器不处于第二操作状态，确定传感器的损坏。然而当一旦检测到传感器处于第二操作状态时，此后就可以省略检查传感器是否处于第一状态。

在本发明的进一步发展中，电容变送器包括差动电容器，所述差动电容器具有至少一个其第一电容具有第一传递函数的第一电容器，和其第二电容具有第二传递函数的第二电容器，其中传递函数优选在各自的压力相关度上存在差别。在这种情况下，特别期望的是当压力测量变量具有零值时，两个电容相等；在这种情况下，通常考虑利用电容C₂归一化的电容差C₁-C₂，用于确定压力测量变量，即p=p((C₁-C₂)/C₂)。

在本发明的进一步发展中，差动电容器包括圆盘形测量电极和电容相等的环形参考电极，所述环形参考电极环绕测量电极，其中测量电极和参考电极特别布置在面向测量膜片的平台表面上，其中测量膜片包括圆盘形膜片电极，所述圆盘形膜片电极优选至少延伸到环形参考电极的外部边缘之外。相应地，如下表示压力测量变量p：

p=p((C_p-C_r)/C_r)|                      (I)，

其中C_p和C_r分别指的是测量电极和膜片电极之间的电容和参考电极和膜片电极之间的电容。

在本发明的进一步发展中，传感器包括陶瓷圆盘形测量膜片，以及陶瓷圆板形平台，其中测量膜片与平台沿着周边接缝压力密闭地连接，从而形成测量腔。

在本发明的进一步发展中，压力传感器布置在具有密封壳体开口的金属壳体内，通过该密封壳体开口测量膜片与介质压力可接触，其中壳体具有环形密封面，所述环形密封面环绕壳体开口，其中密封环夹持在测量膜片和密封面之间，并且其中利用夹持装置，压力传感器支撑在平台的背向测量膜片的后侧上，从而固定抵靠密封环夹持的压力传感器。该密封环通常包括弹性体，其中当暴露在高温中时，密封环可以不可逆地改变其弹性特性。这就会基于最终夹持力的减小导致关于测量准确度的问题。这在欧洲专利申请EP1518097中加以描述。当夹持装置没有按照参考的欧洲专利中所公开的方式设计和定尺寸时，较小的夹持力会等同的引起轴向压缩或者拉伸测量膜片的弯曲力矩减小。然而对测量膜片的缩或拉伸会影响测量膜片的有效硬度，其中这些影响的改变会影响测量操作过程中的系统测量误差。

对测量膜片的压缩或拉伸特别会引起不同的测量膜片的形状弯曲线，从而引起测量膜片从给定压力p存在时的静止位置的偏移z(r，p)/z(0，p)。由于电容变化与弯曲线之间的函数关系，可以检测到该弯曲线变化后的形状，特别是当确定电容的电极轴向位置足够地可区分时，例如诸如针对较早描述的具有相等电容的中心圆盘形电极和环绕的环形电极的差动电容器的布置的情况，就是这种情况。

分别，可以例如通过实验和/或通过对不同的老化阶段和密封环的类型，或对于具有该密封环的压力传感器类型的不同夹持状态进行模拟，确定压力和电容p(c_p，c_r，T)和c_r(c_p，T)，或c_p(c_r，T)之间的关系。

为了实施本发明的方法，压力传感器与操作和处理电路连接，其特别包括微处理器，其基于c_r(c_p)，或c_p(c_r)或者c_r(c_p，T)，或c_p(c_r，T)，确定压力传感器的状态。

附图说明

现在将基于附图中所示的实施例的示例对本发明进行解释，各附图表示如下：

图1：穿过电容压力传感器的纵剖面；

图2：边缘夹持测量膜片(+)和自由测量膜片(Δ)的理想弯曲线；

图3：对于具有边缘夹持测量膜片(+)和自由测量膜片(Δ)的差动电容器，作为测量膜片偏移的函数的传递函数(C_p-C_r)/C_r曲线；并且

图4：对于边缘夹持测量膜片在参考温度(+)的情况下以及增加了100K的温度(o)的情况下的弯曲线的函数c_r(c_p)以及对于自由测量膜片在室温(Δ)的情况下的弯曲线的函数c_r(c_p)。

具体实施方式

图1中所示压力传感器1包括圆盘形陶瓷测量膜片2，其与足够硬的圆板形陶瓷平台3沿着周边接缝4压力密闭地接合，从而形成平台3和测量膜片2之间的测量腔5。测量膜片和平台可以特别包括刚玉。接缝可以特别包括活性硬焊料，或者黄铜，例如，Zr-Ni-Ti活性硬焊料，或者黄铜，或者可以包括玻璃。

测量膜片在其面对平台的一侧上包括全表面膜片电极7，其例如包括金属层，特别是钽层，其中电极的直径为2R，其中R为测量膜片的可偏移区域的半径，与接缝的内径相对应。在面对测量膜片的平台表面上布置中心圆盘形测量电极8，其与环形参考电极9接触，环形参考电极9相对于在测量膜片2的静止位置的膜片电极7具有基本上相等的电容。在每种情况下，参考电极9与测量电极8和接缝4的间距例如合计达到0.1R。参考电极9和测量电极8穿过平台经由金属线缆引线10，11电接触。膜片电极7例如通过接缝与电路接地相连。

图2中所示曲线示出了在测量膜片在其中心处偏移达静止间距d₀的一半，并且实际上对于边缘夹持测量膜片(+)以及对于自由测量膜片(Δ)的情况下，作为半径的函数的测量膜片和平台的平面之间的间隔。曲线是示意性的，并不与实际曲线准确对应，实际曲线可以通过例如FEM模拟结合实验而获得。实际上，这里获知准确曲线不是必要的，曲线仅仅指示作为例如夹持状态的边界条件的函数，测量膜片的偏移特征可以极大地改变。边缘夹持测量膜片的形状向自由测量膜片的形状的转变可以由例如测量膜片和接缝之间的联接失效引起。

在图3中示出了针对具有测量膜片与接缝之间的完好无损联接(+)以及在该联接失效之后(Δ)的图1中的压力传感器的差动电容器，作为测量膜片的偏移的函数的由不同的弯曲线引起的传递函数(C_p-C_r)/C_r。尽管该传递函数清楚地示出了彼此的偏离，并且从而导致测量误差，然而仅仅基于传递函数曲线是无法识别该误差的。

然而，对图4中所示的传递函数c_r(c_p)的考虑能够清楚明确的区分传感器的各个状态。针对高达一半平衡距离的测量膜片的偏移，在参考温度(+)以及从参考温度增加100K的温度(o)的情况下的边缘夹持测量膜片的函数c_r(c_p)几乎完全相同。因此，对于完好无损的测量单元，在恒定条件下，至多期望仅在相对较窄容限范围内的函数c_r(c_p)的变化。假设弯曲线形式为[1-(r/R)²]²，确定这里所示的曲线。对于具体的压力传感器，在压力传感器的温度使用范围上的实际曲线为c_r(c_p)，或c_p(c_r)应当实验地确定，从而，一方面能够确定函数，并且另一方面取得合理的容限范围。相对而言，与接缝和测量膜片之间的联接失效后的状态相对应的并且在参考温度的情况下在这里表示的自由测量膜片(Δ)的函数c_r(c_p)示出了明显不同的曲线，其对于完好无损的传感器的函数而言应当置于所有合理的容限带之外。

这就是本发明方法的由来，其中检查c_r(c_p)的测量值是否符合完好无损的压力传感器的期望函数。在压力传感器热平衡的情况下，如果不符合，就会检测到压力传感器的变化。这就指示传感器的完好无损状态和损坏之间的转变。

对于位于函数c_r(c_p)或c_r(c_p，T)的容限范围之外的电容的当前值对的建立可以相对简单地以足够的确定性加以完成。

相对而言，当基于电容的值对，完成不同的压力传感器的限定的状态之间的区分时，借助于基于大量的电容值的值对的统计分析识别压力传感器的状态是合理的。对此，例如，在建立了从先前的有效函数c_r(c_p)的值对的偏离之后，可以在c_p的足够大的数值范围上记录大量的值对c_r，c_p，从而此后基于统计分析，例如回归方法来检测数值对符合哪个函数。如果不可能与压力传感器的完好无损状态相对应的函数发生关联，就检测到了缺陷。

Claims (12)

1.一种操作压力传感器的方法，

其中，所述压力传感器包括测量膜片，至少一个平台以及具有至少第一压力相关电容和第二压力相关电容的电容变送器，

其中所述测量膜片压力密闭地将体积分为第一体积部和第二体积部，其中所述第二体积部封闭在所述测量膜片和所述平台之间的测量腔内，

其中所述测量膜片的偏移取决于压力测量变量p，其为所述第一体积部内的第一压力p₁与所述测量腔内的所述第二体积部内的第二压力p₂之间的差，

其中在每种情况下，测量在所述测量膜片上的电极和具有基本上与压力不相关位置的对电极之间的第一电容和第二电容，

其中作为所述第一电容和所述第二电容的函数确定所述压力测量变量p的各自的当前值，

其中，对于处于热平衡的完好无损的压力传感器，所述第二电容表示为所述第一电容和在给定情况下的温度的预定函数，

其中所述方法具有如下步骤：

记录所述第一电容和所述第二电容的值对，

测试所述第一电容和所述第二电容的记录值对是否实际在预定容限范围内符合所述预定函数的关系，并且

当在比时间极限值持续更长的时间段中不符合时，确定所述传感器的变化和/或损坏，

其中所述时间极限值为所述第一电容和所述第二电容的值从所述函数关系的偏离的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述时间极限值为所述偏离的单调递减函数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中完好无损的传感器具有第一 完好无损操作状态和至少一个第二完好无损操作状态，

其中，对于处于热平衡的所述第一操作状态中的完好无损的压力传感器，所述第二电容可表示为所述第一电容以及给定情况下的温度的第一预定函数，

其中，对于处于热平衡的所述第二操作状态中的完好无损的压力传感器，所述第二电容可表示为所述第一电容以及给定情况下的温度的第二预定函数，

其中所述方法包括：

测试所述第一电容和所述第二电容的记录值是否实际上在预定容限范围内的符合所述预定函数之一的关系，并且

如果符合，基于传递函数确定所述压力测量变量，所述传递函数与所述操作状态相关，所述操作状态与预定函数相对应，第一和第二电容的记录值满足所述预定函数关系，并且

如果在比时间极限值持续更长的时间段中不符合，确定所述传感器的损坏。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述压力传感器不可逆地从所述第一完好无损操作状态转换到所述第二完好无损操作状态。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述方法包括如下步骤：

检查所述传感器是否处于所述第一操作状态，并且当所述传感器不处于所述第一操作状态时，

检查所述传感器是否处于所述第二操作状态；

并且如果在比时间极限值持续更长的时间段中所述传感器不处于所述第二操作状态，

确定所述传感器已经被损坏。

6.根据前述任意一个权利要求所述的方法，其中所述电容变送器包括差动电容器，所述差动电容器至少包括其第一电容具有第一传递函数的第一电容器，以及其第二电容具有第二传递函数的第二电容器， 其中所述传递函数在各自的压力相关度上不同。

7.根据权利要求6所述的方法，其中当所述压力测量变量具有零值时，两个电容相等。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述差动电容器包括圆盘形测量电极和环形参考电极，所述环形参考电极环绕所述测量电极，其中所述测量电极和所述参考电极布置在面向所述测量膜片的平台面上，其中所述测量膜片具有圆盘形膜片电极，其至少延伸到所述环形参考电极的外边缘。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述压力测量变量p表示为：

p＝p((C_p-C_r)/C_r)，

其中C_p和C_r分别表示所述测量电极和所述膜片电极和所述参考电极和所述膜片电极之间的电容。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述压力传感器布置在具有密封壳体开口的金属壳体内，通过所述密封壳体开口所述测量膜片与介质压力可接触，其中所述壳体具有环形密封面，其环绕所述壳体开口，其中密封环夹持在所述测量膜片和所述密封面之间，并且其中利用夹持装置，所述压力传感器支撑在所述平台的背向的所述测量膜片的后侧上，从而固定抵靠所述密封环夹持的所述压力传感器。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述密封环包括弹性体，其中当暴露在超过材料相关极限值的温度中时，所述密封环不可逆地改变其弹性特性，从而作用在所述测量膜片和所述平台上的夹持力会改变，从而改变了电容之间的关系，

其中基于电容值对c_p，c_r，检测所述数值对符合哪个函数。

12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所检测的适当的函数 c_r(c_p)，选择一个函数p(c_p,c_r,T)来确定所述压力测量变量。