CN107076629A - 用于测定压力测量信号的方法以及用于该方法的压力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测定电容式压力测量单元(1)中的压力测量信号(D)的方法，所述压力测量单元包括主体(3)和配置在所述主体(3)的前面的测量膜(5)。电极(7,9,11)配置在所述主体(3)和所述测量膜(5)上，并且在所述测量膜(5)的具有高的压力敏感性的区域中形成测量电容(C_m)并在所述测量膜(5)的具有低的压力敏感性的区域中形成基准电容(C_r)，其中根据所述测量电容(C_m)和所述基准电容(C_r)的第一种估算(A1)，对所述测量电容(C_m)和所述基准电容(C_r)进行彼此独立地检测，并且在第一测量范围内测定所述压力测量信号(D)，以及根据所述基准电容(C_r)的第二种估算(A2)在第二测量范围内测定所述压力测量信号(D)，并且如果根据第一种估算(A1)的所述压力测量信号(D)超过极限值(x)，那么发生从第一种估算(A1)到第二种估算(A2)的转变。

Description

用于测定压力测量信号的方法以及用于该方法的压力测量 装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于测定压力测量信号的方法以及根据权利要求12的前序部分所述的用于实施这种压力测量方法的压力测量装置。

背景技术

在现有技术中已知并实施了各种压力测量方法和压力测量装置。特别地，陶瓷电容式压力测量单元在现有技术中是已知的，其相对于其他测量单元的特征在于，非常高的过载稳定性等。

典型的陶瓷电容式压力测量单元包括主体，在该主体前面经由间隔件(例如，焊料玻璃)配置有测量膜。在测量膜和主体上均设有电极，它们在测量膜的压力敏感区域中形成测量电容并在测量膜的压力不太敏感区域中形成基准电容。当压力施加到测量膜的前面时，在测量膜和主体上形成的电极之间的距离改变，因而使得电容(特别是测量电容)改变，从而通过电容变化可以得出关于压力变化程度的结论。在现有技术中通常使用下式来测定压力测量信号D，以获得作用在测量膜上的压力。

D＝1–C_r/C_m

由于测定压力测量值要考虑基准电容C_r与测量电容C_m的比值这一事实，所以可以考虑环境条件的波动，即，特别是温度和湿度的变化，原因是它们对所形成的商不再具有任何影响。

由于基准电容C_r的压力敏感性通常显著弱于测量电容C_m的压力敏感性这一事实，所以通过现有技术的估算，几乎仅可以检测到测量电容的改变，并且一旦测量膜在测量电容C_m的区域中施加到主体上，那么根据上述公式测定的压力测量信号D就变得饱和。

因此，在现有技术中已知的这些陶瓷电容式压力测量单元中，认为不利的是，经由压力测量单元的标称范围(即，技术测量允许的范围)来测定压力仅可以进行不充分的测定，并且特别地，超过允许的标称压力的值只能被不充分地检测到。利用其中根据下式进行压力测量信号的测定的常规估算方法，任何施加的压力最多都只能被检测到压力测量单元的标称压力的大约两倍。

D＝1–C_r/C_m

在超过该压力的情况下，测量膜接触压力测量单元的主体，并且根据上述公式基于基准电容和测量电容之间的比值测定的输出信号不再有任何显著程度的变化。

发明内容

本发明的目的是即使在显著超出这种压力测量单元的标称范围的情况下也允许进行测量检测，并且允许更好地分析由过载引起的压力测量单元的任何故障。

这个目的通过包括权利要求1的特征的方法以及包括权利要求12的特征的压力测量装置来实现。

根据本发明提供了一种用于测定电容式压力测量单元中的压力测量信号的方法，所述压力测量单元包括主体和配置在所述主体的前面的测量膜，其中电极配置在所述主体和所述测量膜上，所述各电极在所述测量膜的具有高的压力敏感性的区域中形成测量电容并在所述测量膜的具有低的压力敏感性的区域中形成基准电容，其中根据所述测量电容和所述基准电容的第一种估算，对所述测量电容和所述基准电容进行彼此独立地检测，并且在第一测量范围内测定所述压力测量信号，以及根据所述基准电容的第二种估算在第二测量范围内测定所述压力测量信号，其中，当根据第一种估算的所述压力测量信号超过极限值时，发生从第一种估算到第二种估算的转变。

因此，本方法的决定性因素在于：取决于根据第一种估算的压力测量信号的值，发生从第一种估算到第二种估算的转变，从而根据第一种估算的由基准电容补偿的压力测量信号是转变的基础。一般而言，可以考虑依据基准电容的绝对值或测量电容的绝对值来发生第一种估算向第二种估算的转变，然而，这里不利的是，改变环境条件(例如改变的温度和/或湿度)很可能影响这些电容值，从而取决于环境影响，将在不同的条件下发生从第一种估算到第二种估算的转变。因此，根据本发明的方法的优点在于，通过基于补偿值的转变，以高精度的方式调整从第一种估算到第二种估算的转变，从而即使在所施加的压力超出测量单元的允许测量范围的情况下，也可以对所施加的压力进行精确估算。

根据所述方法的一个实施方案，同时进行两种估算，并且如果第一种估算的压力测量信号超过所述极限值，那么丢弃第一种估算，如果第一种估算的压力测量信号低于所述极限值，那么丢弃第二种估算。

由于同时进行两种估算这一事实，所以取决于从已经示出的环境条件的波动中释放出来的第一种估算的结果，可以作出将第一种估算的结果还是第二种估算的结果作为压力测量信号发出的决定。

极限值(当超过该值时导致发生从第一种估算向第二种估算的转变)有利地设定为所述压力测量单元的标称压力或与其对应的值的1～5倍，优选2倍。在典型的陶瓷电容式压力测量单元中，所谓的触底(即，测量膜由于所施加的压力而接触主体)大约在压力测量单元的两倍标称压力时开始发生。因此，有利的是，大致在该值时提供从第一种估算到第二种估算的转变。然而，例如，取决于压力测量单元的尺寸，在压力测量单元的标称压力或者最多到标称压力的五倍时发生从第一种估算到第二种估算的转变也可能是有益的。

对于极限值的选择，起决定性因素的是时间点，根据第一种估算在该时间点时必须预期压力测量信号的饱和或严重非线性。

在典型的测量方法中，对于第一种估算，根据下式计算所述压力测量信号。

D1＝1–C_r/C_m

这里，以下确认是起决定性作用的：测量电容的值与所施加的压力的值成比例，其中在该范围内基准电容有益地对所施加的压力显示出非常小的依赖性。

此外，当在高于极限值的压力下在第二测量范围内也发生测量补偿时，这是有益的。特别地，这种测量补偿应该考虑诸如温度和湿度等环境条件。

生成这种测量补偿的一个选项是在从第一种估算转变到第二种估算时测定并保存所述基准电容的当前给定值。如此，这里，在第二种估算中，在给定时间相应测定的基准电容的值可以用从第一种估算转变到第二种估算时测定的基准电容的值进行标准化，从而允许至少对在所述时间点给出的环境条件进行补偿。

另外或可选择地，对于第二种估算，也可以仅考虑基准电容与所保存的值相比的变化。

在高于极限值时仅需要降低的精度或者其中预计环境条件的波动仅微小的实施方案中，制造商还可以预先确定当第一种估算转变到第二种估算时的基准电容的值并可以将该值永久地保存在存储单元中。在这种情况下，例如，可以保存对于传感器的典型环境条件的基准电容的值。

如上所述，如此，可以用所保存的基准电容的值对根据第二种估算的基准电容的测量值进行补偿，并且以这种方式可以降低环境条件的影响。特别地，可以根据下式进行第二种估算的计算，其中C_r(p)表示基准电容的当前给定值，C_r(p＝x)表示当从第一种估算转变到第二种估算时的基准电容的值，x表示极限值，以及m表示常数。

D2＝m(C_r(p)–C_r(p＝x))+x

简言之，如此，从转变到第二种估算的时间点开始仅考虑与常数因子相乘的基准电容的变化，其中极限值和乘数由制造商预先确定。

当根据第二种估算的最大值和/或从第一种估算转变到第二种估算的次数保存在存储单元中时，这可以是进一步有利的。如此，可以向后续估算提供最大压力负载和/或过载循环次数。

根据本发明的用于提供压力测量信号的压力测量装置具有电容式压力测量单元，所述电容式压力测量单元包括主体和配置在所述主体的前面的测量膜，其中电极配置在所述主体和所述测量膜上，所述各电极在所述测量膜的具有高的压力敏感性的区域中形成测量电容并在所述测量膜的具有低的压力敏感性的区域中形成基准电容，其中，所述压力测量装置还包括构造成适于实施根据前述权利要求中任一项所述的压力测量方法的测量电子器件。

有利地，在所述测量膜和/或所述主体上配置有覆盖所述电极的隔离件，其优选构造成玻璃涂层。在现有技术中已知的许多压力测量单元中，在压力测量单元的测量膜和/或主体上未对通常构造成金属器件的电极提供保护，使得在由于电极接触而引起触底的情况下，在电极之间发生短路，从而不再可以进行电容的测定。

通过设置这种隔离件，可以进一步简化压力测量单元的制造，原因是如此所述测量膜或所述主体的电极可以以连续的方式构造，优选构造成连续的金属器件，并且另一个的电极可以以结构化的方式构造，优选构造成结构化的金属器件，以形成所述电容。

通常，在这种实施方案中，配置在测量膜上的电极和/或金属器件构造成连续的电极和/或金属器件，原因是如此仅需要设置测量膜的一个电触头。为了构造测量电极和参比电极，配置在主体上的金属器件以结构化的方式构造，例如，其中所述参比电极以环形的方式包围所述测量电极。

附图说明

在下文中，参照附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出了本发明中使用的陶瓷电容式压力测量单元的示意性断面，

图2示出了根据第一种估算的压力测量信号的示意性发展，

图3示出了在不同环境条件下的基准电容的示意性发展，

图4示出了标称压力为0.1bar的陶瓷电容式压力测量单元中的测量电容以及基准电容的发展，和

图5示出了在图4的压力测量单元中的根据第一种估算的压力测量信号的发展。

具体实施方式

图1示出了本发明中可以使用的陶瓷电容式压力测量单元1的示意性断面。压力测量单元1基本上包括由陶瓷材料制成的主体3和配置在该主体的前面并经由间隔件15(例如焊料玻璃)与其隔开的测量膜5。

用于产生测量电容C_m以及基准电容C_r的电极7,9,11形成在主体3和测量膜5上，彼此相对地定位并间隔开一定距离，其中居中配置的测量电极9和以环形方式包围该测量电极的参比电极11通过结构化的金属器件的方式构造在主体3上。在测量膜5上，由于连续的金属器件，而构成了与测量电极9和/或参比电极11配合以形成测量电容C_m以及基准电容C_r的膜电极7。

在本示例性实施方案中，电极7,9,11彼此隔离开并经由例如以玻璃涂层形式实现的隔离件13来保护这些电极免受机械影响。这里，当在当前的压力测量单元1中由于超压而使测量膜5弯曲到与主体3接触的程度时，隔离件13防止了电极7,9,11之间的任何接触，从而防止它们之间的任何短路。如此，即使在超压的情况下，也始终可以测定测量电容C_m以及基准电容C_r。

由于在过载期间的上述结果(即，测量膜5与主体3接触)，所以典型的陶瓷电容式压力测量单元1仅允许在某一测量范围内的测定，从而特别地仅允许进行特定标称压力p_nom范围以内的压力测量。尽管如此，这种压力测量单元1有时也会受到显著超过允许的标称压力p_nom的压力的作用。这里，可以通过通常使用的第一种估算A1测定所施加的压力，其中根据下式测定第一压力测量信号D1，测量范围为压力测量单元1的标称压力p_nom的大约两倍以内。

D1＝1–C_r/C_m

在高于该两倍的标称压力p_nom的范围内，第一种估算A1通常显示出以这种方式测定的第一压力测量信号D1的非直线性和/或饱和行为，如图2所示。图2所示的测量曲线示出了根据第一种估算A1测定的第一压力测量信号D1，其中所示出的是被标称压力p_nom标准化的压力。

图3还示出了高于由标称压力p_nom标准化的压力的不同环境条件下的基准电容C_r的值。特别地，由于湿度变化，所以在压力测量单元1内部产生的电介质数量可能改变，从而导致基准电容C_r的不同发展。例如，如果通过先前在所示出的测量曲线中显示为极限值x的两倍的标称压力p_nom也以上述精确的方式发生可靠的压力测定，那么需要对环境条件进行补偿以测定基准电容C_r的值。

图4示出了标称压力p_nom为0.1bar的陶瓷电容式压力测量单元1在0～10bar范围内的基准电容C_r和测量电容C_m的值。从图4中的测量曲线可以清楚地看出，测量电容C_m的值是基准电容C_r的值的倍数，然而，测量电容C_m仅在测量单元1的标称压力p_nom大约两倍范围以内显示出线性特性，而基准电容C_r在明显超过标称压力p_nom时仍然具有很大地线性变化的。由于基准电容C_r在过载范围内的这种线性变化，所以当估算基准电容C_r时，即使所施加的压力超过压力测量单元1的允许标称压力p_nom一百倍(在目前情况下高达10bar)，也可以实现对所施加的压力的测定。

图5示出了根据第一种估算A1测定的第一压力测量信号D1，从图5的图示可以清楚地看出，通过该第一种估算A1，第一压力测量信号D1的线性变化仅可以在压力测量单元1的标称压力p_nom的大约两倍范围之内出现。除此之外，通过第一种估算A1产生的第一压力测量信号D1最初不再是线性的，然后变为饱和。

例如，可以根据下式来生成根据第二种估算A2测定的第二压力测量信号D2。

D2＝m(C_r(p)–C_r(p＝x))+x

对于更高的精度要求，也可以用更高级的多项式来进行第二种估算A2，例如对所施加的压力进行逼近，或者在精度要求更低的情况下，制造商也可以预先确定用于内部校准的基准电容的值。

附图标记列表

1 压力测量单元

3 主体

5 测量膜

7 膜电极

9 测量电极

11 参比电极

13 隔离件

15 间隔件

17 压力补偿开口

A1 第一种估算

A2 第二种估算

D1 第一压力测量信号

D2 第二压力测量信号

x 极限值

C_m 测量电容

C_r 基准电容

D 压力测量信号

p_nom 标称压力

Claims (15)

1.一种用于测定电容式压力测量单元(1)中的压力测量信号(D)的方法，所述压力测量单元包括主体(3)和配置在所述主体(3)的前面的测量膜(5)，其中电极(7,9,11)配置在所述主体(3)和所述测量膜(5)上，所述各电极在所述测量膜(5)的具有高的压力敏感性的区域中形成测量电容(C_m)并在所述测量膜(5)的具有低的压力敏感性的区域中形成基准电容(C_r)，其中根据所述测量电容(C_m)和所述基准电容(C_r)的第一种估算(A1)，对所述测量电容(C_m)和所述基准电容(C_r)进行彼此独立地检测，并且在第一测量范围内测定所述压力测量信号(D)，以及

根据所述基准电容(C_r)的第二种估算(A2)在第二测量范围内测定所述压力测量信号(D)，

其特征在于，

当根据第一种估算(A1)的所述压力测量信号(D)超过极限值(x)时，发生从第一种估算(A1)到第二种估算(A2)的转变。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

同时发生两种估算(A1,A2)，并且如果第一种估算(A1)的压力测量信号(D)超过所述极限值(x)，那么丢弃第一种估算(A1)，如果第一种估算(A1)的压力测量信号(D)低于所述极限值(x)，那么丢弃第二种估算(A2)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

所述极限值(x)是所述压力测量单元(1)的标称压力(p_nom)或与其对应的值的1～5倍，优选为2倍。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

对于第一种估算(A1)，根据下式计算第一压力测量信号(D1)。

D1＝1–C_r/C_m

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在第二测量范围内发生测量补偿。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在从第一种估算(A1)转变到第二种估算(A2)时测定并保存所述基准电容(C_r)的当前给定值C_r(p＝x)。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，

其特征在于，

在从第一种估算转变到第二种估算(A2)时的所述基准电容(C_r)的值由制造商预先确定。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其特征在于，

在第二种估算中，用所保存的值C_r(p＝x)对所述基准电容(C_r)的测量值进行补偿。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

对于第二种估算(A2)，根据下式计算所述压力测量信号D。

A2＝m(C_r(p)–C_r(p＝x))+x

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

根据第二种估算(A2)的第二压力测量信号(D2)的最大值保存在存储单元中。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

从第一测量范围转变到第二测量范围的次数保存在存储单元中。

12.一种用于提供压力测量信号(D)的压力测量装置，所述压力测量装置具有电容式压力测量单元(1)和测量电子器件(9)，所述电容式压力测量单元包括：

-主体(3)和配置在所述主体的前面的测量膜(5)，其中电极(7,9,11)配置在所述主体(3)和所述测量膜(5)上，所述各电极在所述测量膜(5)的具有高的压力敏感性的区域中形成测量电容(C_m)并在所述测量膜(5)的具有低的压力敏感性的区域中形成基准电容(C_r)，并且

-所述测量电子器件构造成适于实施根据前述权利要求中任一项所述的压力测量方法。

13.根据权利要求12所述的压力测量装置，

其特征在于，

在所述测量膜(5)和/或所述主体(3)上配置有覆盖所述电极(7,9,11)的隔离件(13)，其优选构造成玻璃涂层。

14.根据权利要求12或13所述的压力测量装置，

其特征在于，

所述测量膜(5)或所述主体(3)的电极(7,9,11)以连续的方式构造，优选构造成连续的金属器件，并且另一个的电极(7,9,11)以结构化的方式构造，优选构造成结构化的金属器件，以形成所述电容(C_m,C_r)。

15.根据权利要求14所述的压力测量装置，

其特征在于，

参比电极(11)以环形的方式包围测量电极(9)。