CN114616448B - 用于监测电容式压力测量单元的功能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于监测电容式压力测量单元(10)的功能的方法，该电容式压力测量单元(10)具有测量电容器(CM)和参考电容器(CR)，交流方波信号形式的内部激励电压UE0施加到该测量电容器(CM)和参考电容器(CR)。根据本发明，为了允许检测特别是由于湿气引起的泄漏电流对测量结果的干扰影响，提出了在至少两个限定的时间t1、t2在下降和/或上升信号曲线期间从电压信号UCOM中感测对应的电压值U1、U2，并且使用两对值t1；U1和t2；U2来确定线性方程U＝f(t)，其中，使用在下降或上升信号曲线内的线性方程U＝f(t)来计算时间tx，在该时间tx，达到在比较器‑振荡器(SG)中作为阈值或切换点设定的电压值Ux，其中，‑或者将时间tx与比较器‑振荡器(SG)的实际切换时间进行比较并且在显著偏差的情况下生成错误信号，‑或者使用时间tx定义比较器‑振荡器(SG)的假设切换点，从其计算假设工作频率，并且如果所述假设工作频率与比较器‑振荡器(SG)的实际工作频率存在显著偏差，则生成错误信号。

Description

用于监测电容式压力测量单元的功能的方法
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功能的方法。
背景技术
电容式压力传感器或压力测量设备在许多工业领域中用于压力测量。电容式压力传感器或压力测量设备通常包括作为用于过程压力的变送器的陶瓷压力测量单元和用于信号处理的评估电子器件。
电容式压力单元由陶瓷基体和膜片构成，其中，在基体与膜片之间布置玻璃焊环。在基体与膜片之间产生的空腔允许膜片由于压力的影响而纵向移动。因此，该空腔也被称为测量室。在膜片的下侧和基体的相对上侧上分别设置电极，这些电极一起形成测量电容器。压力的影响导致膜片变形，这导致测量电容器的电容的变化。
通过使用评估单元，检测电容的变化并将其转换成压力测量值。通常，这些压力传感器用于监测或控制过程。因此，压力传感器经常连接到更高级的控制单元(PLC)。
从DE 198 51 506C1中已知电容式压力传感器，其中，从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。尽管在本专利说明书中没有具体描述压力测量单元，但是所描述的电路和方法适用于电容式压力测量单元。该压力测量设备的特征在于，对于输出处的测量信号的评估，作为所检测的压力测量值的测量，仅方波信号的振幅是相关的，与其频率无关。
从EP 0 569 573 B1中已知用于电容式压力传感器的电路布置，其中，同样使用商法来进行压力评估。
商法通常假定以下压力相关性：
或或其中，CM是测量电容器的电容，CR是参考电容器的电容，p表示要确定的过程压力。还可以想到的是互换商中的CM和CR。然而，分母中具有CM的示例代表了有利于固有线性化的最常见形式。因此，在下文中，除非另有说明，否则假定为本实施例。
电容式压力传感器的可靠性变得越来越重要。目的在于关于在测量单元的背对待测量介质的后侧处或在评估电子器件的零件中的可能泄漏电流优化压力传感器的测量原理，以便消除可能由环境引入的并且往往冷凝的潮湿成分。
作为关于监测电容式压力传感器的功能的现有技术，提及了DE 103 33 154A1和DE 102014 201 529A1。
发明内容
本发明的目的是提供用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的功能的方法，借助于该方法，使得能够检测特别是由于湿气引起的泄漏电流而对测量结果造成的干扰影响。
该目的通过包括实施例的特征的方法来实现。本发明的有利实施例在示例中提供。
本发明基于以下认识：在测量单元的背对待测量介质的后侧上的或者在评估电子器件的零件中的湿气以及由此产生的泄漏电流导致由测量电容器结合比较器振荡器生成的三角电压信号UCOM的变化。在这种情况下，产生了腹形曲线进展，而不是均匀线性的上升和下降曲线进展。具体而言，曲线进展于是呈现为使得在三角信号的上升曲线进展期间和下降曲线进展期间，斜率都减小。取决于电阻性影响有多大，获得或多或少明显的腹形曲线进展。
根据本发明的方法提供了检测这样的信号曲线进展，即在至少两个限定的时间点t1、t2在下降和/或上升信号曲线进展期间，从三角电压信号UCOM中检测对应的电压值U1、U2，并且基于两个值对t1；U1和t2；U2确定线性方程U＝f(t)。通过使用该线性方程U＝f(t)，可以在下降或上升信号曲线进展内计算时间点tx，在该时间点，达到在比较器振荡器中设定为阈值或切换点的电压值Ux。现在存在两种用于分析并因此用于错误指示的可能性：如果时间点tx明显偏离比较器振荡器的实际切换点，或者如果从在时间点tx限定的比较器振荡器的切换点计算的虚拟工作频率明显偏离比较器振荡器的实际工作频率，则生成错误信号。
因此，利用现有的评估电路并且因此在没有额外的部件的情况下，可以借助于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功能的监测并且在早期快速地检测由泄漏电流引起的电阻性干扰影响。
而且，替代性地，也可以考虑微分评估，其中，在至少一个脉冲宽度期间产生的微分方波信号的每个周期，即正脉冲或负脉冲或两个脉冲，至少两次测量脉冲高度，并且将所测量的电压值存储在存储器中。然后，例如通过相减将每个脉冲宽度的至少两个电压值彼此进行比较，并且如果彼此存在显著偏差，则生成对应的错误信号。
附图说明
下面参考附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。
附图示意性地示出：
图1是电容式压力测量设备的框图；
图2是电容式压力测量单元的示意性剖视图；
图3是用于根据图2的电容式压力测量单元的已知评估电路；
图4是根据本发明方法的第一实施例的无错误电压信号和受泄漏电流影响的电压信号的比较；
图5是根据本发明方法的第二实施例的无错误电压信号和受泄漏电流影响的电压信号的比较；以及
图6是由用于进行根据本发明的方法的微控制器补充的图3的评估电路。
在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。
具体实施方式
图1示出了用于测量过程压力p(例如油、奶、水等的压力)的典型电容式压力测量设备的框图。压力测量设备1设计为双线设备，并且基本上由压力测量单元10和评估电子器件20构成。评估电子器件20包括模拟评估电路30和微控制器μC，其中，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将评估结果作为数字或模拟输出信号提供给例如PLC。为了供电，压力测量设备1连接到电源线(12-36V)。
图2示出了用于各种电容式压力测量设备中的典型电容式压力测量单元10的示意图。压力测量单元10基本上由基体12和膜片14构成，该基体12和膜片14经由玻璃焊环16连接到彼此。基体12和膜片14界定空腔19，该空腔19优选仅对于至多50巴的低压范围经由通气通道18与压力测量单元10的后侧连接。
在基体12和膜片14上都设置了多个电极，这些电极形成了参考电容器CR和测量电容器CM。测量电容器CM由膜片电极ME和中心电极M形成，参考电容器CR由环形电极R和膜片电极ME形成。
过程压力p作用在膜片14上，该膜片14根据加压或多或少地偏转，其中，膜片电极ME与中心电极M之间的距离本质上变化。这导致测量电容器CM的电容的对应变化。由于环形电极R与膜片电极ME之间的距离变化小于膜片电极ME与中心电极M之间的距离，因此对参考电容器CR的影响较小。
在下文中，电容器的名称与其电容值之间没有区别。因此，CM和CR表示测量电容器和参考电容器本身及其各自的电容。
图3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CM与电阻器R1一起布置在积分支路IZ中，并且参考电容器CR与电阻器R2一起布置在微分支路DZ中。优选地在0伏附近对称地交替的方波电压UE0施加到积分支路IZ的输入。输入电压UE0经由电阻器R1和测量电容器CM通过使用充当积分器的运算放大器OP1转换为线性增加或减小的电压信号(取决于输入电压的极性)，该信号在积分支路IZ的输出COM输出。测量点P1通过运算放大器OP1实际接地。
输出COM连接到阈值比较器SG，该阈值比较器SG驱动方波发生器RG。输出COM处的电压信号UCOM一超过或低于阈值，比较器SG就改变其输出信号，于是方波发生器RG相应地反转其输出电压。
微分支路DZ还包括运算放大器OP2、具有两个电阻器R5和R6的分压器以及反馈电阻器R7。运算放大器OP2的输出连接到采样保持电路S&H。在采样保持电路S&H的输出施加测量电压UMess，从该测量电压UMess获得作用在压力测量单元10上的过程压力p。
下文中，更详细地说明该测量电路的功能。运算放大器OP1确保电阻器R1与测量电容器CM之间的连接点P1实际维持在地。这导致恒定电流I1流过电阻器R1，该电阻器R1对电容器CM充电，直到方波电压UE0改变其符号为止。
图3示出了对于R1＝R2和CM＝CR的情况，微分分支DZ中的测量点P2与测量点P1处于相同电势，即处于地电平，即使不存在测量点P2与运算放大器OP2之间的连接。这不仅在该特殊情况下如此，而且每当时间常数R1*CM和R2*CR彼此相等时也是如此。在调零期间，该条件相应地分别经由可变电阻器R1和R2来设定。如果测量电容器CM的电容由于压力的影响而变化，则积分支路IZ和微分支路DZ中的时间常数相等的条件不再满足，并且测量点P2处的电势将偏离零值。然而，由于运算放大器OP2继续将连接点P2实际上维持在地，所以运算放大器OP2立即抵消了这种变化。因此，在运算放大器OP2的输出存在方波电压UR，其振幅取决于两个时间常数的商。容易看出，振幅与过程压力p～CR/CM-1成正比，其中，该相关性基本上是线性的。该振幅可经由由两个电阻器R5和R6形成的分压器来调节。
经由采样保持电路S&H，方波信号的正振幅A+和负振幅A-在幅度上相加，并且幅度A在运算放大器OP3的输出处作为测量电压UMess输出，并被转发到微控制器μC(未示出)。然而，幅度A也可以作为模拟值直接输出。根据测量电压UMess来调节施加到方波发生器RG的输出的输入电压UE0的振幅，以便实现更好的线性。为此，提供了由电阻器R20和R10构成的分压器。该分压器连接到参考电压VREF，并且可以有利地调节。
正操作电压V+通常为+2.5V，负操作电压V-通常为-2.5V。
图4示出了根据本发明的方法的第一实施例。一方面，示出了线性上升或下降的电压信号UCOM，该电压信号UCOM主要由测量电容器CM确定并且在积分支路IZ的输出COM处输出。实线表示理想曲线。根据比较器振荡器SG中设定的切换点，从其生成方波电压UE0，该方波电压UE0在0伏附近对称地交替。
虚线示出了电压信号UCOM在其出现时(例如当由于在压力测量单元10的后侧上或者在评估电子器件的零件中的湿气而出现泄漏电流时)的信号曲线进展。在这种情况下，出现了腹形曲线进展，而不是均匀线性的上升和下降曲线进展。具体而言，曲线进展于是呈现为使得在三角信号的上升曲线进展期间和下降曲线进展期间，斜率首先增大，然后减小。取决于电阻性影响有多大，获得或多或少明显的腹形曲线进展。
根据本发明，在下降和/或上升信号曲线进展期间的至少两个限定的时间点t1、t2，从电压信号UCOM检测对应的电压值U1、U2，并且基于两对值t1；U1和t2；U2确定线性方程U＝f(t)。图4示例性地示出了直线位于上升信号曲线进展中的情况。时间点t1在此对应于从下降到上升信号进展的切换点，而时间点t2处于上升信号进展的中间，可以说是在周期的四分之一或四分之三处。
可以清楚地看出，在电压信号UCOM的腹形进展中，在相对的切换点处的直线在明显早于实际切换时间点的时间点tx达到在比较器SG中定义的阈值。通过使用线性方程可以容易地计算该时间点tx。通过比较tx与实际切换时间点，获得时间差Δt。如果现在时间点tx明显偏离实际切换时间点，即时间差Δt明显超过零值，则这指示泄漏电流并因此指示对测量准确度的电阻性影响。因此，这种情况以错误信号的形式指示给用户。
图5示出了根据本发明的方法的第二实施例。本发明的初始情况以及形成直线的形式的基本思想与图4相同。差别是错误检测。在根据图4的第一实施例中，错误检测借助于时间评估来执行，但在根据图5的第二实施例中，焦点在于工作频率的评估。
将达到阈值电压时计算的时间点tx定义为比较器振荡器SG的虚拟切换点，并且从其计算虚拟工作频率。这通过在切换点之后的三角信号的虚线曲线进展来例示。在错误的情况下，出现比实际的半个周期短的虚拟的半个周期。因此，外推的是，与实际的周期持续时间相比，虚拟周期持续时间被一起缩短，使得出现频率差。当比较两个工作频率并检测到该虚拟工作频率与比较器振荡器SG的实际工作频率的显著偏差时，这又指示泄漏电流并因此指示对测量准确度的电阻性影响，其以误差信号的形式指示给用户。
图6原则上示出了从图3中已知的评估电路，然而，该评估电路由微控制器μC补充。一方面，图3的比较器振荡器SG集成在该微控制器μC中，另一方面，微控制器包括执行根据本发明的方法所必需的单元：计时器60、第一处理单元70和作为中央处理单元的CPU 50。位于微控制器μC外部的元件大致相同，因此被相同地指定。为了避免重复，下面将仅讨论本发明的必要元件。
一方面，反馈阈值比较器SG的输出信号，以驱动方波发生器RG，这从图3中已知。另一方面，该信号被馈送到计时器60。在计时器60中记录三角信号的周期行为，特别是关于达到设定的阈值。由此，根据应用第一实施例还是第二实施例，导出三角波信号UCOM的实际切换时间点或其周期持续时间，并将其分别馈送到CPU 50。
第一处理单元70是包括A/D转换器和CPU资源的模块，其中，当然其它输入也包括集成的A/D转换器。该模块70当然也可以集成到CPU 50中。在该第一处理单元70中，执行线性方程U＝f(t)的确定。然后在CPU 50自身中，计算时间点tx，在该时间点tx，由直线虚拟地实现设定的阈值，然后比较切换时间点或周期持续时间或从其导出的工作频率。如果两个切换时间点或两个周期持续时间与指定的容差范围存在显著偏差，则生成在输出diag_out输出处输出的错误信号。
为从图3中已知的电压信号UR的形式的当前测量的压力值被不变地输出到微控制器μC的输出switch_out或analog_out，以便将测量的压力值作为开关或模拟信号输出。然后，作为所示评估电路的一部分的从图3已知的采样保持电路S&H也集成在微控制器μC中，并以功能相同的形式在微控制器μC中再现。
附图标记列表
1压力测量设备
10压力测量单元
12基体
14膜片
16玻璃焊环
18通气通道
19空腔
20评估电子器件
30评估电路
50中央处理单元CPU
60计时器
70第一处理单元
CM测量电容器
CR参考电容器
M中心电极
R环形电极
ME膜片电极
IZ积分支路
DZ微分支路
SG阈值比较器
RG方波发生器

Claims (4)

1.一种用于监测电容式压力测量单元(10)的功能的方法，所述电容式压力测量单元(10)包括测量电容器(CM)和参考电容器(CR)，内部激励电压UE0以交流方波信号的形式施加到所述测量电容器(CM)和所述参考电容器(CR)，并且从所述测量电容器(CM)和所述参考电容器(CR)的电容值获得压力测量值p，
其中，所述激励电压UE0借助于所述测量电容器(CM)通过积分转换为上升或下降电压信号UCOM，并且
其中，所述电压信号UCOM被馈送到比较器振荡器(SG)，作为其结果，生成所述激励电压UE0，
其特征在于，
在至少两个限定的时间点t1、t2均在下降或上升信号进展期间从所述电压信号UCOM检测对应的电压值U1、U2，并且基于两对值t1；U1和t2；U2确定线性方程U＝f(t)，
其中，在所述下降或上升信号曲线进展内，借助于所述线性方程U＝f(t)计算时间点tx，在所述时间点tx，实现在所述比较器振荡器(SG)中作为阈值或切换点设定的电压值Ux，
其中，
将所述时间点tx与所述比较器振荡器(SG)的实际切换时间点进行比较并且在显著偏差的情况下生成错误信号，
或者由所述时间点tx定义所述比较器振荡器(SG)的虚拟切换点，并且从其计算虚拟工作频率，并且在所述虚拟工作频率与所述比较器振荡器(SG)的实际工作频率显著偏离的情况下生成错误信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间点t1对应于所述电压信号UCOM的切换时间点。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述时间点t2位于所述下降或上升信号曲线进展的前半部分。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述时间点t2位于所述下降或上升信号曲线进展的中间。
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