CN112074718B - 电容式压力测量单元和电容式压力测量装置的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电容式压力测量装置的运行方法。为了实现对外部信号源的不敏感性，本发明提出连续地改变压力测量装置的工作频率，从而避免与外部(干扰)频率形成共振。

Description

电容式压力测量单元和电容式压力测量装置的运行方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的电容式压力测量单元的运行方法和根据权利要求3所述的电容式压力测量装置的运行方法。

背景技术

电容式压力传感器或电容式压力测量装置已在许多工业领域被用于压力测量。它们通常具有：作为过程压力(Prozessdruck)的传感器的、陶瓷的压力测量单元和用于信号处理的计算电子装置。

电容式压力测量单元由陶瓷的基体和膜(Membran)组成，在基体和膜之间布置有玻璃焊环。在基体和膜之间由此形成的空腔实现了膜的由于压力影响而产生的纵向可移动性。在膜的下侧和在基体的相对的上侧上各设置有电极，这些电极一起形成测量电容器。压力作用会导致膜的变形，从而导致测量电容器的电容变化。

在计算单元的帮助下，电容变化被检测到并转换为压力测量值。一般地，这些压力传感器用于过程的监视或过程的控制。因此，它们通常与更高级别的控制单元(SPS)连接。

从文献DE19851506C1中已知一种电容式压力测量装置。在该电容式压力测量装置中，压力测量值由两个电容值(测量电容器的电容值和参考电容器的电容值)的商来计算。

尽管在该专利文献中没有具体描述压力测量单元，但是所示的电路和所描述的方法适用于电容式压力测量单元。

该压力测量装置的特点是，它以固定的运行频率工作，并且作为检测到的压力测量值的量度的输出端上的测量信号的计算，仅与方波信号的幅度相关，而与方波信号的频率无关。

但是，可能会出现这样的情况，在其中使用压力测量装置的环境中，还存在其他各种类型的信号源，例如，如果测量装置在变频器附近运行时，则使得外部信号源频率会被耦合，从而会导致与压力测量装置的固定运行频率或工作频率发生共振。

发明内容

本发明的目的是使得压力测量单元或压力测量装置对外部信号源不敏感地被实施。

该目的通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求和下面的说明书中给出了本发明的有利实施例。

本发明的构思在于连续地改变压力测量装置的运行频率或工作频率，从而避免了与外部耦合(干扰)频率的共振的形成。

附图说明

下面根据实施例并参考附图更详细地说明了本发明。

附图示意性地示出了：

图1，其为电容式压力测量装置的框图，

图2，其为电容式压力测量单元的示意性截面图，

图3，其为用于根据图2的电容式压力测量单元的已知的计算电路，

图4，其为图3的计算电路的一部分，其补充有用于执行根据本发明的方法的装置，

图5，其为周期组合的示例，以及

图6，其为三个周期组合的序列。

具体实施方式

在优选实施例的以下描述中，相同的附图标记表示相同或同类的部件。

在图1中示出了用于测量(例如，油、牛奶、水等的)过程压力p的典型的电容式压力测量装置的框图。压力测量装置1实施为两线式装置

，并且基本上由压力测量单元10和计算电子装置20组成。计算电子装置20具有模拟计算电路30和微控制器μC。在微控制器μC中，计算电路20的模拟输出信号被数字化并且被进一步处理。微控制器μC将计算结果作为数字或模拟输出信号提供给例如SPS。为了供应能源，压力测量装置1接通至电压供应线(12V-36V)。

图2以示意图的形式示出了典型的电容式压力测量单元10，该电容式压力测量单元10以多种方式应用于电容式压力测量装置中。压力测量单元10基本上由基体12和膜14组成。基体12和膜14通过玻璃焊环16相互连接。基体12和膜14限定了空腔19，该空腔19(优选地，仅在高至50巴的低压范围内)通过通风通道18与压力测量单元10的后侧连接。

在基体12和膜14上均设置有多个电极，这些电极形成参考电容器C_R和测量电容器C_M。测量电容器C_M由膜电极ME和中心电极M形成，参考电容器C_R由环电极R和膜电极ME形成。

过程压力p作用在膜14上，该膜14根据压力的施加而一定程度地发生弯曲，其中，基本上，膜电极ME到中心电极M的距离会发生改变。这导致测量电容器C_M的电容的相应的变化。因为环电极R与膜电极ME之间的距离的变化小于膜电极ME与中心电极M之间的距离的变化，所以对参考电容器C_R的影响较小。

在下文中，在电容器的标识和它的电容值之间将不作区分。因此，C_M和C_R既标识测量电容器或参考电容器本身，又分别标识它们的电容。

在图3中更详细地示出了用于压力测量单元10的已知的计算电路30。测量电容器C_M与电阻器R₁一起布置在积分支路IZ中，参考电容器C_R与电阻器R₂一起布置在微分支路DZ中。在积分支路IZ的输入端存在方波电压U_E0，优选地，方波电压U_E0关于0伏对称地变化。输入电压U_E0借助于作为积分器工作的运算放大器OP1通过电阻器R₁和测量电容器C_M被转换成线性上升或线性下降的电压信号(取决于输入电压的极性)，该电压信号在积分支路IZ的输出端COM处输出。此外，测量点P1通过运算放大器OP1虚拟接地。

输出端COM与比较器-振荡器SG连接，该比较器-振荡器SG控制方波发生器RG。一旦输出端COM处的电压信号超过或低于阈值，则比较器SG就改变它的输出信号，从而方波发生器RG将它的输出电压相应地反相。

微分支路DZ还由运算放大器OP2、具有两个电阻器R₅和R₆的分压器以及反馈电阻器R₇组成。运算放大器OP2的输出端与采样保持电路S&H连接。在采样保持电路S&H的输出端上存在测量电压U_Mess，通过该测量电压U_Mess获得作用在压力测量单元10上的过程压力p。

下面将详细说明该测量电路的功能。运算放大器OP1用于将电阻器R₁和测量电容器C_M之间的连接点P1保持虚拟接地。因此，恒定电流l₁流过电阻器R₁对测量电容器C_M充电，直到方波电压U_E0改变它的符号。

从图3可以看出，对于R₁＝R₂且C_M＝C_R的情况，当测量点P2与运算放大器OP2之间的连接不存在时，微分支路DZ中的测量点P2也处于与测量点P1的相同的电位，即处于地电位。这不仅适用于这种特殊情况，而且当时间常数R₁*C_M和R₂*C_R彼此相等时始终如此。在零点调准时，该状态通过可变电阻器R₁或R₂来相应地进行设置。如果测量电容器C_M的电容由于压力作用而发生变化，则不再存在积分支路IZ和微分支路DZ中的时间常数相等的条件，并且测量点P2处的电位将偏离零值。该变化直接由运算放大器OP2抵抗，因为运算放大器OP2继续将连接点P2保持为虚拟接地。因此，在运算放大器OP2的输出端存在方波电压U_R，该方波电压U_R的幅度取决于两个时间常数的商。可以容易说明的是，幅度与过程压力p～C_R/C_M-1成正比，其中，相关性基本上是线性的。幅度可以通过由两个电阻器R₅和R₆形成的分压器进行设置。

方波信号的正幅度A+或负幅度A-通过采样保持电路S&H来确定，并且在运算放大器OP3的输出端将数值A作为测量电压U_Mess输出，并且被转发至微控制器μC(未图示)。但是，它也可以直接作为模拟值发出。存在于方波发生器RG的输出端上的输入电压U_E0的幅度根据测量电压U_Mess来设置，以实现更好的线性度。为此，提供了由电阻器R₂₀和R₁₀组成的分压器。该分压器与参考电压VREF连接，并且有利地是可调准的。

正运行电压V+通常为+2.5V，负工作电压V-为-2.5V。

在图4中示出了图3中已知的电路的一部分，以微控制器μC和晶体管电路OC的形式补充了与本发明相关的部分，该晶体管电路OC与比较器-振荡器SG连接。为了更好的图示，省略了为了进一步进行信号计算所必需的其余部分的图示，并且可将这些为了进一步进行信号计算所必需的其余部分的图示相应地从图3中移除。

本发明的构思(改变压力测量装置1的运行频率或工作频率，以避免与外部耦合(干扰)频率形成共振)的实施通过晶体管电路OC来实现，该晶体管电路OC设计为集电极开路，即，NPN晶体管的发射极处于负运行电压的水平，集电极用作输出端并与比较器-振荡器SG的非反相的输入端连接。可选地，如果微控制器μC的IO端口配置为集电极开路，那么晶体管电路OC也可以是微控制器μC的IO端口。此外，比较器-振荡器SG也可以是微控制器μC的一部分。

晶体管电路OC通过微控制器μC控制，该微控制器μC也可以与图1中已知的微控制器相同，然后除了上述的信号处理之外，该微控制器μC还通过该晶体管控制承担其它任务。微控制器μC的该任务基本上涉及提供基于时间的控制信号。

由运算放大器和分压器组成的比较器SG的基本结构是已知的，并且总体对应于图3的比较器SG的基本结构。这里与晶体管电路OC的连接是新的。在下文中，将就如何通过该新的布线来实现本发明的构思进行说明。

如已经说明的那样，线性上升或线性下降的电压信号，即三角信号，存在于连接点COM上，并且被馈送到比较器SG。在已知的不受控制的比较器中，只有分压器规定了三角信号的上反转点和下反转点，从而确定(准固定的)工作频率。此过程是第一工作方式。

当晶体管短暂地短接比较器上的分压器接头时，通过增加晶体管电路OC，上反转点也可以由微控制器μC以时间控制的方式来确定。比较器上不受影响的分压器继续确定下反转点。在该第二工作方式下，工作频率可以在持续的运行期间受到影响。

为了抑制共振的形成，现在将两种工作方式结合在一起。

微控制器μC通过集成的计时元件或计时器来干预反转点的确定，其中，三角信号仍然只能在由分压器定义的最大反转点和最小反转点之间运行。也就是说，通过微控制器μC的干预，此时为三角信号建立了上反转点，该上反转点只能存在于所述最大值和所述最小值之间，或者如果微控制器μC不干预，如从现有技术中已知的那样，三角信号在由分压器限定的最大反转点和最小反转点之间运行。

通过由微控制器μC干预上反转点的确定，实现了完全可变的且不受模式约束的工作频率。

首先，应该指出，压力测量值的确定是在固定的时间窗口内进行的，其中，在一个时间窗口内，两种工作模式都应使用，并且一个时间窗口包括三角形式的COM信号的多个周期。时间窗口的持续时间例如是1ms。

首先，根据第二工作方式(即计时器控制地)执行一定数量的周期，然后根据第一工作方式(即比较器控制)执行至少一个周期。对于每个时间窗口，都有预定规定值，即应根据第二种工作方式执行多少个计时器控制的周期。剩余时间由根据第一工作方式的比较器控制的周期填充。此处的决定性因素是，微控制器μC在每个时间窗口后将每个时间窗口的计时器控制周期的预定规定值总是改变一个周期，以确保即使在静压力下也存在长久的不规则性(“抖动”)。

由于周期组合的运行时间没有与时间窗口同步，因此可能发生时间窗口结束后最后一个(比较器控制的)周期尚未完成。在这种情况下，新的时间窗口的计时器控制的周期相应地在之后开始，由此在先的(比较器控制的)周期才能结束。下一个时间窗口的周期的数量的预定规定值，如已经解释的那样是由微控制器μC在每个时间窗口中进行了改变，其中，对于这样的情况，即，未达到与时间窗口内受控的周期的相关的预定规定值，则微控制器μC会为下一个时间窗口减少计时器控制的周期的预定规定的数量。

在图5中，示例性地在所示的三个时间窗口中说明了上述情况。在图6中，示例性地示出了三个周期组合的序列。

为了改变时间窗口，如通过图4所见的，比较器SG的输出端被微控制器μC监控，即读回

并且对应上面的实施例调节晶体管电路OC的控制。

通过时间窗口的运行时间的这种持续的切换(“抖动”)，打破了每个时间窗口的起干扰作用的共振结构，因为每个时间窗口由变化数量的周期组成，这些周期的运行时间本身也是变化的。

Claims (9)

1.一种电容式压力测量装置的运行方法，

其中，所述压力测量装置具有压力测量单元(10)，所述压力测量单元(10)具有测量电容器(C_M)和参考电容器(C_R)，所述测量电容器(C_M)和所述参考电容器(C_R)被施加交替的方波信号形式的内部激励电压U_E0，从所述测量电容器(C_M)和所述参考电容器(C_R)的电容值获得压力测量值p，

其中，所述激励电压U_E0经由所述测量电容器(C_M)通过积分被转换为中间信号COM，以及

其中，所述中间信号COM被馈送到比较器-振荡器(SG)，由此最终生成所述激励电压U_E0，

其特征在于，所述比较器-振荡器(SG)的至少一个阈值被改变，使得所述激励电压U_E0具有变化的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，所述比较器-振荡器(SG)控制方波发生器(RG)。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，

其特征在于，所述频率的所述变化根据预定规定的模式进行或随机进行。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，

其特征在于，所述频率的所述变化经由晶体管电路(OC)进行，所述晶体管电路(OC)在集电极侧与所述比较器-振荡器(SG)的非反相的输入端连接，并通过计时元件控制。

5.根据权利要求4所述的方法，

其特征在于，所述计时元件是微控制器(μC)的一部分。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，

其特征在于，所述比较器-振荡器(SG)以这样的方式控制，即，在所述比较器-振荡器(SG)输出端的方波信号具有可变频率的周期和固定频率的周期。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，所述具有可变频率的周期具有由微控制器(μC)确定的频率，所述具有固定频率的周期具有不由所述微控制器(μC)确定的频率。

8.根据权利要求5至7中的任一项所述的方法，

其特征在于，定义时间窗口，在所述时间窗口中运行一定数量的具有可变的、由微控制器(μC)确定的频率的周期。

9.根据权利要求8所述的方法，

其特征在于，具有可变的、由所述微控制器(μC)确定的频率的周期的所述数量在相邻的时间窗口是不同的。

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