CN112534231A - 用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的操作的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监测电容式压力传感器(1)的压力测量单元(10)的操作的方法，其中所述压力测量单元(10)包括压力相关的测量电容器(C_M)和压力相关的参考电容器(C_R)，并且根据所述测量电容器(C_M)的电容值和所述参考电容器(C_R)的电容值来获取压力测量值(p)作为测量信号，其中将所述测量信号以交替的方波信号的形式供应至评估单元，所述信号的脉冲高度取决于所述参考电容器(C_R)的所述电容值与所述测量电容器(C_M)的所述电容值的商，并且通过所述电容值来确定信号的周期。

Description

用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的操作的方法

技术领域

本发明涉及用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的操作的方法。

背景技术

电容式压力传感器或压力测量装置用于许多工业领域来进行压力测量。它们通常具有作为换能器的用于过程压力的陶瓷压力测量单元以及用于信号处理的评估电子器件。

电容式压力测量单元由陶瓷基体和隔膜组成，其中在基体与隔膜之间布设有玻璃焊料环。作为压力作用的结果，在基体与隔膜之间产生的腔体能够使隔膜纵向运动。因此，该腔体也称为测量腔。在隔膜的底侧和基体的相对顶侧上设有相应的电极，这些电极一起形成测量电容器。压力的作用导致隔膜变形，从而导致测量电容器的电容变化。

通过使用评估单元，检测到容量变化并将其转换为压力测量值。通常，这些压力传感器用于监测或控制过程。因此，这些压力传感器通常连接至高级控制单元(PLC)。

从DE19851506C1中知晓一种电容式压力传感器，其中根据测量电容器和参考电容器的两个电容值的商来确定压力测量值。虽然在该专利说明书中没有具体地描述压力测量单元，但是所示的电路和所描述的方法适合于电容式压力测量单元。该压力测量装置的特别特点在于，为了评估输出处的测量信号作为对所检测的压力测量值的度量，该测量值仅与方波信号的幅度相关，而与方波信号的频率无关。

从EP0569573B1中知晓一种用于电容式压力传感器的电路装置，其中也使用商法来进行压力评估。

商法通常假定以下压力依赖性：

或

或

其中C_M是测量电容器的电容，C_R是参考电容器的电容，p表示待确定的过程压力。还可以设想在求商中互换C_M和C_R。然而，在分母中使用C_M以有利于本征线性化而给出的示例是最常见的形式。因此，除非另有说明，在下面的实施例中假定这种形式。

电容式压力传感器的可靠性越来越重要。根据商法操作的电容式压力传感器的问题在于，由于商的形成还不能识别介质的进入(介质的进入是由隔膜破裂引起或由可能的通气通道导致)，因为介电常数ε_r在分子和分母中相应地变化。如果进入介质的ε_r与空气的ε_r稍微不同，这种问题会变得更糟。特别是在待测量的介质为油的情况下，油的ε_r通常在2到4之间，而空气的ε_r为1。

为此目的，EP2606330B1建议使用其容量与隔膜压力无关的附加电容器来确定控制压力测量值，该控制压力测量值与实际压力测量值进行比较。

作为关于监测电容式压力传感器的操作的其他现有技术，提及以下文献：DE102011083133A1、DE102010062622A1、US2014/0144206A1、US2006/0152380A1、DE102014201529A1。

发明内容

本发明的目的是提出用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的操作的可替代且节约成本的方法。

该目的通过包括权利要求1和权利要求5的特征的方法来实现。在从属权利要求中详细说明了本发明的有利实施例。

本发明的基本思想是认识到在压力传感器的标称压力范围内，在脉冲高度或幅度与周期持续时间或频率之间存在固定的关系，并且当介质进入测量室时(所述介质进入由隔膜破裂引起或由经由通气通道的进入引起)，由上面示出的测量电容C_M与参考电容C_R的商形成的方波信号显著变化。此外，由于压力测量单元的构造，在C_M和C_R的两个电容值的压力相关过程中也存在固定的关系，从而可以检测到影响隔膜的变形行为的隔膜的初期裂纹或破裂。

介质-即使只是少量的-进入测量室，由于ε_r的不可避免的增加，而导致容量增加，具体取决于哪些电极并因此哪些电介质受到影响。

如果仅影响外部参比电极，例如因为通气通道通常布置得非常靠近参比电极，则脉冲高度在相同的周期持续时间变得明显更小。如果隔膜破裂发生在外部区域并且因此C_R比C_M更容易变形，也会出现相同的情况。

在相当不可能的情况下，其中仅测量电极受到影响或者在中央区域中发生了隔膜的初期裂纹或破裂，则出现完全相反的情况，即脉冲高度在相同的周期持续时间变得明显更大。

在更可能的情况下，如果介质由于隔膜破裂或经由通气通道的进入而均匀地分布在测量室中，从而均匀地分布在参比电极和测量电极上，则电容C_M和电容C_R增加到相同的程度。如上所述，在这种情况下，脉冲高度保持不变。然而，新的发现是，在周期持续时间显著变化的情况下，使得现在可以通过评估方波信号的频率或周期持续时间来监测压力传感器的可靠性，而这与当前压力值的确定无关。

因此，根据本发明的方法涉及相对于实际测量的压力的脉冲高度和周期持续时间的评估。为此目的，在针对特定压力值p₁，...，p_n的校准过程中，已将多个脉冲高度和周期持续时间对的值(h₁，d₁)，...，(h_n，d_n)存储为目标值，或者存储为多项式形式的脉冲高度和周期持续时间之间的函数依赖性。在第一种情况下，利用脉冲高度和周期持续时间对的实际值(h_x-IST，d_x-IST)来确定该脉冲高度和周期持续时间对的目标值(h_x-SOLL，d_x-SOLL)，以用于当前测量的压力值p_x，其中在脉冲高度和周期持续时间对的实际值和脉冲高度和周期持续时间对的目标值之间存在明显偏差的情况下，生成误差信号。在第二种情况下，所存储的多项式描述了脉冲高度h_x和周期持续时间d_x之间的函数关系，使得对于具有脉冲高度h_x-IST的测量压力值p_x，通过使用多项式可以确定周期持续时间d_x-SOLL的相关值。如果根据多项式确定的周期持续时间d_x-Soll与实际测量的周期持续时间d_x-IST不匹配，则发出误差信号。

因此，可以利用现有的评估电路并因此没有任何附加的部件通过适当的信号评估来执行对电容式压力传感器的压力测量单元的操作的监测，并且可以快速地和早期地检测电容性误差影响。

下面参照附图基于示例性实施例来详细说明本发明。

附图说明

附图示意性地示出了：

图1为电容式压力测量装置的框图；

图2为电容式压力测量单元的示意性截面图；

图3为用于根据图2的电容式压力测量单元的已知评估电路；以及

图4为补充有用于实现根据本发明方法的微控制器的图3的评估电路。

具体实施方式

在下面优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或类似的部件。

图1示了用于测量过程压力p(例如油、牛奶、水等的压力)的典型的电容式压力测量装置的框图。压力测量装置1被设计成双线路装置，并且大体上由压力测量单元10和评估电子器件20组成。评估电子器件20包括模拟评估电路30和微控制器μC，在微控制器中，评估电路20的模拟输出信号被数字化并被进一步处理。微控制器μC将评估结果例如作为数字或模拟输出信号提供至PLC。压力测量装置1连接至用于能量供应的电压供应线路(12V-36V)。

图2示出了如在各种电容式压力测量装置中使用的那样的典型的电容式压力测量单元10的示意性表示。压力测量单元10大体上由基体12和隔膜14组成，基体12和隔膜14通过玻璃焊料环16彼此连接。基体12和隔膜14限定腔体19，腔体19-优选地仅在最多50巴的低压力范围-经由通气通道18连接至压力测量单元10的后侧。

多个电极设置在基体12上和隔膜14上，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由隔膜电极ME和中央电极M形成，参考电容器C_R由环形电极R和隔膜电极ME形成。

过程压力p作用在隔膜14上，隔膜14根据所施加的压力或多或少地弯曲，其中隔膜电极ME与中央电极M之间的距离大体上变化。这导致测量电容器C_M电容的对应变化。由于环形电极R与隔膜电极ME之间的距离变化小于隔膜电极ME与中央电极M之间的距离变化，因此对参考电容器C_R的影响较小。

在下面，不对电容器的名称(designation)和其容量值进行区分。因此，C_M和C_R表示测量电容器或参考电容器本身以及它们的电容。

在图3中更详细地示出了用于压力测量单元10的已知评估电路30。测量电容器C_M与电阻器R₁一起布置在在积分支路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的输入端施加方波电压U_E0，该方波电压U_E0优选地在0伏特附近对称地交替。通过使用用作积分器的运算放大器OP1，输入电压U_E0经由电阻器R₁和测量电容器C_M被转换成线性增大或线性减小(取决于输入电压的极性)的电压信号，该电压信号在积分支路IZ的输出端COM输出。这里，由于运算放大器OP1，测量点P1实际上处于接地状态。

输出端COM连接至阈值比较器SG，该阈值比较器SG驱动方波生成器RG。一旦输出端COM处的电压信号高于或低于阈值，则比较器SG改变其输出信号，于是方波生成器RG分别反转其输出电压。

此外，微分支路DZ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的输出端连接至采样和保持电路S&H。在采样和保持电路S&H的输出端处提供测量电压U_Mess，从中获得作用在压力测量单元10上的过程压力p。

在下文中，将更详细地解释该测量电路的功能。运算放大器OP1确保电阻器R₁和测量电容器C_M之间的连接点P1保持为实际接地。结果，恒定电流I₁流过电阻器R₁，电阻器R₁对测量电容器C_M充电，直到方波电压U_E0改变其符号。

从图3可以看出，针对R₁＝R₂和C_M＝C_R的情况，如果测量点P2与运算放大器OP2之间的连接将不存在，则在微分支路DZ中的测量点P2甚至与测量点P1处于相同的电位，即处于接地电平。这不仅适用于该特殊情况，而且适用于只要时间常数R₁*C_M和R₂*C_R彼此相等的情况。在零点校准期间，分别通过可变电阻器R₁和R₂来相应地设置该状态。如果测量电容器C_M的电容由于压力的作用而变化，则不再给出积分支路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0值。然而，这种变化被运算放大器OP2立即抵消，因为运算放大器OP2继续将连接点P2保持实际接地。因此，在运算放大器OP2的输出端处提供方波电压UR，该方波电压的幅度取决于两个时间常数的商。可以很容易地显示所述幅度与过程压力p成正比～CR/CM-1，其中相关性大体上是线性的。可以经由分压器(其由两个电阻器R₅和R₆形成)来调节幅度。

方波信号的正幅度A+和负幅度A-通过采样和保持电路S&H按量相加，其中量A被输出作为在运算放大器OP3的输出端处的测量电压U_Mess，并且被转发到微控制器μC(未示出)。然而，量A也可以作为模拟值被直接地输出。根据测量电压U_Mess来设置在方波生成器RG的输出端处呈现的输入电压U_E0的幅度，以便获得更好的线性度。为此，提供了由电阻器R₂₀和电阻器R₁₀组成的分压器。该分压器连接至参考电压VREF并且可以有利地被调节。

正工作电压V+通常为2.5伏，负工作电压V-为-2.5伏。

图4在原理上示出了根据图3已知晓的评估电路，而该评估电路补充有微控制器μC。在该微控制器中，一方面集成了来自图3的比较器-振荡器SG，另一方面，该微控制器包括实现根据本发明的方法所需的单元：定时器60、存储器40和作为处理单元的CPU 50。布置在微控制器μC的外部的元件大体上相同并因此也进行相同的表示。为了避免重复，在下面将仅讨论对本发明而言所必要的元件。

一方面，阈值比较器SG的输出信号被反向馈送以驱动方波生成器RG，该方波生成器RG在图3中已知晓。另一方面，该信号被馈送至定时器60。在定时器60中，记录三角形信号的时间周期行为，特别是记录关于达到所设置阈值的行为。由此导出被馈送至CPU 50的周期持续时间。在这种情况下，该三角形信号的周期持续时间与实际测量信号U_R的周期持续时间相同，因此以这种方式来检测周期持续时间是特别有利的。

此外，微控制器μC包括存储器40，存储器40最初提供有以根据图3知晓的电压信号U_R形式的当前测量的压力值p_x。同时，并且出于说明的原因而未详细示出，压力值p_x也被发送至微控制器μC的输出端switch_out或analog_out，以便将所测量的压力值输出为切换或模拟信号。根据图3知晓的采样和保持电路S&H作为所示评估电路的一部分，也集成到微控制器μC中并且功能相同地进行模拟。

此外，CPU 50根据周期持续时间产生的触发信号也被馈送至存储器40。该触发信号精确地限定要存储电压信号U_R的脉冲高度h_x-IST的实际值的时间点。就时间而言，该时间点有利地正好在正方波脉冲的中间。

在应用压力传感器之前发生的校准过程中，将多个脉冲高度和周期持续时间对的值(h₁，d₁)，...，(h_n，d_n)也作为目标值存储在存储器40中，特别是存储在查找表中，以用于特定压力值p₁，...，p_n。

在CPU 50中，利用脉冲高度和周期持续时间对的实际值h_x-IST、d_x-IST来确定脉冲高度和周期持续时间对的目标值h_x-SOLL、d_x-SOLL，以用于当前测量的压力值p_x，并且如果脉冲高度和周期持续时间对的实际值与脉冲高度和周期持续时间对的目标值之间存在明显偏差，则生成误差信号，该误差信号在输出端diag_out处输出。

附图标记列表

1 压力测量装置

10 压力测量单元

12 基体

14 隔膜

16 玻璃焊料环

18 通气通道

19 腔体

20 评估电子器件

30 评估电路

40 存储器

50 处理单元，CPU

60 计时器

C_M 测量电容器

C_R 参考电容器

M 中央电极

R 环形电极

ME 隔膜电极

IZ 积分支路

DZ 微分支路

SG 阈值比较器

RG 方波生成器

Claims (5)

1.一种用于监测电容式压力传感器(1)的压力测量单元(10)的操作的方法，

其中，所述压力测量单元(10)包括压力相关的测量电容器(C_M)和压力相关的参考电容器(C_R)，并且根据所述测量电容器(C_M)的电容值和所述参考电容器(C_R)的电容值来获取压力测量值(p)作为测量信号，

其中，将所述测量信号以交替的方波信号U_R的形式馈送至评估单元，所述方波信号的脉冲高度取决于所述参考电容器(C_R)的所述电容值与所述测量电容器(C_M)的所述电容值的商，并且通过所述测量电容器(C_M)的所述电容值来确定所述方波信号的周期持续时间，使得在所述压力传感器的标称压力范围内在所述脉冲高度和所述周期持续时间之间具有固定的关系，

其中，在针对特定压力值p₁，...，p_n的校准过程中，已将多个脉冲高度和周期持续时间对的值(h₁，d₁)，...，(h_n，d_n)存储为目标值，

其中，利用脉冲高度和周期持续时间对的实际值(h_x-IST，d_x-IST)来确定脉冲高度和周期持续时间对的目标值(h_x-SOLL，d_x-SOLL)，以用于当前测量的压力值p_x，并且如果所述脉冲高度和周期持续时间对的实际值(h_x-IST，d_x-IST)与所述脉冲高度和周期持续时间对的目标值(h_x-SOLL，d_x-SOLL)之间存在明显偏差，则生成误差信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述目标值的存储以及与所述实际值的比较发生在微控制器(μC)中。

3.根据权利要求2所述的方法，

其中，所述微控制器(μC)包括定时器(60)、存储器(40)和处理单元(50)，

其特征在于以下方法步骤：

所述定时器(60)确定所述交替的方波信号U_R的所述周期持续时间并且将所述交替的方波信号输出为值d_x-IST并将所述值d_x-IST转发至所述处理单元(50)；

将所述交替的方波信号U_R的形式的所述当前测量的压力值p_x和触发信号馈送至所述存储器(40)，所述触发信号是由所述处理单元(50)根据所述周期持续时间d_x-IST生成的，并且所述触发信号精确地限定要存储所述交替的方波信号U_R的所述脉冲高度h_x-IST的实际值的时间点；

所述处理单元(50)利用所述脉冲高度和周期持续时间对的实际值(h_x-IST，d_x-IST)来确定所述脉冲高度和周期持续时间对的目标值(h_x-SOLL，d_x-SOLL)，以用于所述当前测量的压力值p_x，并且将所述脉冲高度和周期持续时间对的这两个值进行比较。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述脉冲高度和周期持续时间对的目标值(h_x-SOLL，d_x-SOLL)被存储在查找表中。

5.一种用于监测电容式压力传感器(1)的压力测量单元(10)的操作的方法，

其中，所述压力测量单元(10)包括压力相关的测量电容器(C_M)和压力相关的参考电容器(C_R)，根据所述测量电容器(C_M)的电容值和所述参考电容器(C_R)的电容值来获取压力测量值(p)作为测量信号，

其中，将所述测量信号以交替的方波信号U_R的形式馈送至评估单元，所述方波信号的脉冲高度取决于所述参考电容器(C_R)的所述电容值与所述测量电容器(C_M)的所述电容值的商，并且通过所述测量电容器(C_M)的所述电容值来确定所述方波信号的周期持续时间，使得在所述压力传感器的标称压力范围内在所述脉冲高度和所述周期持续时间之间具有固定的关系，

其中，所述压力传感器(1)包括微控制器(μC)，所述微控制器(μC)具有定时器(60)、存储器(40)和处理单元(50)，

其特征在于以下方法步骤：

以多项式的形式限定所述脉冲高度h_x和所述周期持续时间d_x之间的函数关系，并将所述函数关系存储在所述存储器(40)中；

所述定时器(60)确定所述交替的方波信号U_R的所述周期持续时间d_x并且将所述交替的方波信号U_R作为值d_x-IST转发至所述处理单元(50)；

基于所述多项式确定与具有脉冲高度h_x-IST的所测量的压力值p_x相关联的周期持续时间d_x-SOLL；

将基于所述多项式确定的周期持续时间d_x-SOLL的值与实际测量的周期持续时间d_x-IST进行比较，并且在d_x-IST与d_x-SOLL之间存在明显偏差的情况下生成误差信号。

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