-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Differenzdruckmessung nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine entsprechende Messanordnung
zur Differenzdruckmessung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
-
Herkömmliche
derartige Verfahren zum Messen von Druckdifferenzen, bei denen mittels
eines ersten Drucksensors ein erster Druckmesswert und mittels eines
zweiten Drucksensors ein zweiter Druckmesswert ermittelt werden,
wobei in Abhängigkeit von den beiden Druckmesswerten ein
Differenzdruck berechnet wird, sind insbesondere dann mit dem Nachteil
einer nicht hinreichend hohen Genauigkeit behaftet, wenn zwischen
den beiden Druckmesswerten, die jeweils einen Einzeldruck repräsentieren, eine
Druckdifferenz besteht, die betragsmäßig deutlich
kleiner ist als die Einzeldrücke, beispielsweise bei einem
Verhältnis von an den einzelnen Drucksensoren anliegenden
Ein zeldrücken zur Druckdifferenz von größenordnungsmäßig
etwa 20 zu 1.
-
Zur
Lösung dieses Problems sind im Stand der Technik Verfahren
zur direkten Differenzdruckmessung bekannt, bei denen auf zwei Seiten
eines einzigen Druckwandlerelements die beiden Einzeldrücke
oder Teildrücke (gelegentlich auch jeweils als Linepressure
bezeichnet) anliegen, deren Differenz gemessen werden soll. Das
Druckwandlerelement wird dabei in der Regel gegeben sein durch eine Membran
als Verformungskörper mit geeignet angebrachten mechano-elektrischen
Wandlerelementen. Nachteilig bei derartigen Verfahren ist, dass
dabei die auf mindestens einer Seite des Druckwandlerelementes angebrachten
mechano-elektrischen Wandlerelemente einem Medium ausgesetzt sind,
dessen Druck gemessen werden soll. Das kann schon bei leicht aggressiven
Medien, wie beispielsweise Öl oder Luft oder salzhaltigen
Medien, zu Korrosionserscheinungen und damit verbundenen Sensorausfällen
führen. Zu deren Vermeidung sind Schutzvorkehrungen, wie
Beschichtungen oder Schutz durch Ölfüllungen unter
Verwendung von Glasdurchführungen zum hermetischen Abschluss,
vorgeschlagen worden, die jedoch sehr aufwendig und damit teuer
sind. Auch bieten solche Vorkehrungen je nach Art der Beschichtung
nur einen nachteilig begrenzten Schutz gegen eine eingeschränkte
Auswahl von Medien. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die
wegen der Beziehung zwischen geforderter Differenzdruckauflösung
und Wandlerempfindlichkeit – abhängig beispielsweise
von einer Membrandicke – limitierte Überdruckfestigkeit
entsprechender Differenzdrucksensoren für eine direkte
Differenzdruckmessung. Das hat zur Folge, dass nur ein sehr begrenztes
Verhältnis von Differenzdruckauflösung zu den
höchstzulässigen Einzeldrücken erreicht
werden kann oder dass die ver wendeten Wandlerelemente und damit die
Differenzdrucksensoren eine sehr große Bauform erhalten.
-
Die
eingangs erwähnte Alternative einer Verwendung von zwei
Drucksensoren mit anschließender Differenzbildung auf mathematischem
Wege scheiterte für entsprechende Anwendungen bislang an
der durch diese Vorgehensweise implizierten Verstärkung
der sich summierenden Fehler der einzelnen Drucksensoren, was bei
entsprechenden bislang bekannten Messanordnungen zu einem nicht
mehr akzeptablen Gesamtfehler eines Differenzsignals führt.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Differenzdruckmessung vorzuschlagen, das die erwähnten
Nachteile überwindet, mit dem also auch verglichen zu den Einzeldrücken
ausgesprochen kleine Druckdifferenzen sehr genau messbar sind, wobei
dazu verwendete Drucksensoren vor einer zu leichten Beschädigung
durch aggressive Messmedien oder durch ungewöhnlich hohe
Druckdifferenzen schätzbar sein soll. Der Erfindung liegt
ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Messanordnung vorzuschlagen, mit
der ein derartiges Verfahren zur Differenzdruckmessung durchgeführt
werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruch
in Verbindung mit den Merkmalen des Oberanspruchs sowie durch eine Messanordnung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Nebenanspruchs in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Nebenanspruchs. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich
mit den Merkmalen der Unteransprüche.
-
Dadurch,
dass bei dem vorgeschlagenen Verfahren in einer Umgebung des Ersten
Drucksensors eine erste Temperatur gemessen wird und in einer Umgebung
des zweiten Drucksensors eine zweite Temperatur gemessen wird und
dass in Abhängigkeit vom ersten Druckmesswert und der ersten
Temperatur ein korrigierter erster Druck berechnet wird und in Abhängigkeit
vom zweiten Druckmesswert und der zweiten Temperatur ein korrigierter
zweiter Druck berechnet wird, wobei der Differenzdruck als Differenz
zwischen dem korrigierten ersten Druck und dem korrigierten zweiten
Druck gebildet wird, wird einerseits eine hinreichend genaue Messung der
Druckdifferenz zwischen den Einzeldrücken auch dann möglich,
wenn diese verhältnismäßig klein ist, während
gleichzeitig beide Drucksensoren bei Bedarf so gestaltet werden
können, dass in den Drucksensoren verwendete Wandlerelemente
einem zu vermessenden Medium nicht ausgesetzt sind. Das beschriebene
Verfahren eignet sich damit insbesondere zur Differenzdruckmessung
in aggressiven Medien, beispielsweise zur Prozessmesstechnik oder zur
Differenzdruckmessung in Anlagen für alternative Energiegewinnung,
zur Differenzdruckmessung an Einspritzanlagen oder allgemein zur
Motorsteuerung oder zur Differenzdruckmessung in Hydraulikanlagen, über Öl-,
Luft- oder ähnlichen Filtereinrichtungen. Auch lassen sich
mit dem vorgeschlagenen Verfahren durch ungewöhnlich hohe
Druckdifferenzen verursachte Schäden vermeiden, weil zwei
Drucksensoren verwendet werden. Eine Signal- oder Datenverarbeitung
geschieht bei dem beschriebenen Verfahren typischerweise jeweils
in digitaler Form, aber auch eine zumindest teilweise analoge Verarbeitung
der Druckmesswerte zur Bestimmung des Differenzdrucks ist selbstverständlich
möglich.
-
Die
dementsprechend vorteilhafte Messanordnung zur Differenzdruckmessung,
mit der ein solches Verfahren durchführbar ist, umfasst
neben dem ersten Drucksensor zum ermitteln des ersten Druckmesswertes
und dem zweiten Drucksensor zum Ermitteln des zweiten Druckmesswertes
auch eine Recheneinheit zum Berechnen des Differenzdrucks in Abhängigkeit
von den Druckmesswerten, wobei diese Messanordnung ferner einen
ersten Temperatursensor zum Messen der ersten Temperatur in einer Umgebung
des ersten Drucksensors und einen zweiten Temperatursensor zum Messen
der zweiten Temperatur in einer Umgebung des zweiten Drucksensors
aufweist, wobei die Recheneinheit ferner Mittel zum Korrigieren
des ersten Druckmesswertes, die einen korrigierten ersten Druck
in Abhängigkeit vom ersten Druckmesswert und von der ersten
Temperatur ausgeben, sowie Mittel zum Korrigieren des zweiten Druckmesswertes,
die einen korrigierten zweiten Druck in Abhängigkeit vom
zweiten Druckmesswert und von der zweiten Temperatur ausgeben, umfasst und
eingerichtet ist zum Bilden des Differenzdruck als Differenz zwischen
dem korrigierten ersten Druck und dem korrigierten zweiten Druck.
Die Temperatursensoren können dabei selbstverständlich
eine Einheit mit dem ersten bzw. zweiten Drucksensor bilden. Die
Recheneinheit kann durch einen Mikrocontroller oder dergleichen
gegeben sein. Durch eine entsprechende Programmierung der Recheneinheit,
die selbstverständlich auch auf verschiedene räumlich getrennte
Untereinheiten aufgeteilt sein kann, kann die Messanordnung programmtechnisch
zur Durchführung eines Verfahrens der vorgeschlagenen Art eingerichtet
sein.
-
Es
kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zur beschriebenen
Korrektur der Druckmesswerte bereits eine erste Korrektur oder Kalibrierung
in einer Primärelektronik jedes Drucksensors geschieht,
wobei diese Primärelektronik mit dem jeweiligen Drucksensor
eine Einheit bilden kann. Dadurch wird eine zweistufige Korrektur
von aus den Einzeldrücken gewonnenen Messwerten realisiert,
was dem Verfahren eine noch höhere Genauigkeit verleiht.
-
Beim
ersten Drucksensor wie beim zweiten Drucksensor kann es sich jeweils
um einen Absolut- oder auch Relativdrucksensor jeder denkbaren Ausführung
handeln. Insbesondere kann jeder dieser Drucksensoren eine Membran
mit einem mechano-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einem
piezoelektrischen Wandlerelement, aufweisen. Als Wandler für
die Drucksensoren kommen auch Dehnungsmessstreifen, piezo-ressistive
Widerstände – vorzugsweise in einer Wheatstone-Brücke
geschaltet oder kapazitive Elemente in Frage. Vorzugsweise sind
die Drucksensoren jeweils als hermetisch verschweißte Wandler,
beispielsweise Edelstahlwandler, ausgeführt.
-
Nachfolgend
wird beschrieben, wie die Berechnung des korrigierten ersten Drucks
und des korrigierten zweiten Drucks und damit die Berechnung des
Differenzdrucks und gegebenenfalls eines korrigierten Differenzdrucks
bei bevorzugten Ausführungen der Erfindung in besonders
einfacher Weise geschehen kann. Insbesondere kann der korrigierte erste
Druck durch Addition eines in Abhängigkeit vom ersten Druckmesswert
und von der ersten Temperatur definierten ersten Korrekturwertes
zum ersten Druckmesswert und der korrigierte zweite Druck durch
Addition eines in Abhängigkeit vom zweiten Druckmesswert
und von der zweiten Temperatur definierten zweiten Korrekturwertes
zum zweiten Druckmesswert gebildet werden. Als Alternative wäre
eine Multiplikation der Druckmesswerte mit jeweils einem ersten
Korrekturfaktor oder einem zwei ten Korrekturfaktor möglich,
wobei die Korrekturfaktoren dann jeweils abhängig vom jeweiligen
Druckmesswert und der jeweiligen Temperatur definiert wären.
Die zur Realisierung einer möglichst hohen Messgenauigkeit
erforderlichen Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren können
dabei problemlos jeweils durch Kalibriermessungen ermittelt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren
jeweils zusätzlich in Abhängigkeit von weiteren
gemessenen Zustandsgrößen, beispielsweise Feuchtigkeitswerte,
bestimmt und definiert werden.
-
Eine
programmtechnisch einfach realisierbare Ausführung des
Verfahrens und einer entsprechenden Messanordnung ergibt sich, wenn
der erste Korrekturwert und der zweite Korrekturwert auf Grundlage
einzelner Korrekturwerte erhalten werden, die für diskrete
Stützstellen gespeichert sind. Ein jeweils zu addierender
Korrekturwert – entsprechendes würde alternativ
für einen anzuwendenden Korrekturfaktor gelten – kann
dabei zum Beispiel durch Interpolation zwischen solchen Korrekturwerten
ermittelt werden, die für die Stützstellen gespeichert
sind, die den aktuellen Druckmesswerten und/oder Temperaturen am
nächsten liegen. Die diskreten Korrekturwerte können
dabei als eine Look-up-Table definierend angesehen werden. Alternativ
oder zusätzlich können die Korrekturwerte bzw. Korrekturfaktoren
auf Grundlage von Interpolationsfunktionen erhalten werden, die
durch Korrekturwerte an diskreten Stützstellen definiert
sind. Die Stützstellen sind dabei also jeweils durch diskrete
Werte für den ersten Druckmesswert und die erste Temperatur bzw.
den zweiten Druckmesswert und die zweite Temperatur und eventuell
sogar weitere Größen gegeben. Interpolationsfunktionen,
die eine sehr genaue Korrektur auch bei einer nicht zu großen
Anzahl von Stütz stellen erlauben, sind bspw. durch polynominale
Regression bestimmbar. Temperaturabhängigkeit und Druckabhängigkeit
der Korrekturwerte können dabei auch unterschiedlich behandelt
werden durch eine Kombination einer Look-up-Table für eine
der Größen mit Interpolationsfunktionen zur Beschreibung
der Abhängigkeit von der jeweils anderen Größe.
So wäre es möglich, für diskrete Temperaturwerte,
beispielsweise für fünf verschiedene Temperaturen,
jeweils die Druckabhängigkeit der Korrekturwerte durch
Interpolationsfunktionen zu definieren. Bei den in der vorliegenden
Schrift genannten Interpolationsfunktionen kann es sich insbesondere
jeweils um Interpolationspolynome handeln. Dazu können
wiederum beispielsweise Polynome dritten oder höheren Grades
verwendet werden, die vorzugsweise abschnittsweise definiert sein
können, im vorliegenden Fall auf Basis von vier oder mehr
dem aktuellen Druckmesswert nächstgelegenen Druck-Stützstellen.
Andersherum kann auch für jeden der Druckmesswerte eine
Look-up-Table zur Bestimmung der Druckabhängigkeit des
jeweiligen Korrekturwerts verwendet und mit Interpolationsfunktionen
zur Definition der Temperaturabhängigkeit kombiniert werden.
-
Eine
noch größere Genauigkeit lässt sich erreichen,
wenn aus dem als Differenz zwischen dem korrigierten ersten Druck
und dem korrigierten zweiten Druck definierten Differenzdruck wiederum
in Abhängigkeit vom korrigierten ersten Druck oder vom korrigierten
zweiten Druck oder in Abhängigkeit vom ersten Druckmesswert
oder vom zweiten Druckmesswert ein korrigierter Differenzdruck berechnet wird.
Dabei wird der korrigierte Differenzdruck vorzugsweise zusätzlich
in Abhängigkeit von mindestens einer der gemessenen Temperaturen
berechnet. Insbesondere kann bei einer entsprechenden Messanordnung
die Recheneinheit zusätz lich Mittel zum Korrigieren des
Differenzdrucks aufweisen, die einen korrigierten Differenzdruck
in Abhängigkeit vom korrigierten ersten Druck oder vom
korrigierten zweiten Druck oder in Abhängigkeit von einem
der Druckmesswerte und eventuell zusätzlich in Abhängigkeit von
mindestens einer der gemessenen Temperaturen ausgeben.
-
Die
Berechnung des korrigierten Differenzdrucks aus dem zuvor bestimmten
Differenzdruck kann dabei analog zur Korrektur der beiden Druckmesswerte
geschehen. Eine einfach realisierbare Ausführung des Verfahrens
sieht also vor, dass der korrigierte Differenzdruck gebildet wird
durch Addition eines dritten Korrekturwertes zum Differenzdruck oder
zu einer aus dem Differenzdruck abgeleiteten, beispielsweise durch
Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor skalierten, Zwischengröße,
wobei dieser dritte Korrekturwert in Abhängigkeit vom korrigierten ersten
Druck oder vom korrigierten zweiten Druck oder in Abhängigkeit
von einem der Druckmesswerte definiert ist. Der korrigierte Differenzdruck
kann auch durch Multiplikation des zuvor bestimmten Differenzdrucks
oder einer aus diesem Differenzdruck abgeleiteten, beispielsweise
durch Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor skalierten, Zwischengröße
mit einem Korrekturfaktor gebildet werden, wobei dann dieser Korrekturfaktor
in Abhängigkeit vom korrigierten ersten Druck oder vom
korrigierten zweiten Druck oder in Abhängigkeit von einem
der Druckmesswerte definiert ist. Wieder ist eine Ermittlung des
dritten Korrekturwerts oder des Korrekturfaktors durch Kalibriermessungen
möglich. Auch kann der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor
wieder zusätzlich von weiteren gemessenen Zustandsgrößen
abhängen. Insbesondere kann der dritte Korrekturwert oder der
Korrektorfaktor zusätzlich in Abhängigkeit von der
gemessenen ersten Temperatur und/oder der gemessenen zweiten Temperatur
und/oder beispielsweise in Abhängigkeit von einer gemessenen
Feuchtigkeit definiert sein.
-
Dabei
kann vorgesehen sein, dass der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor
wieder in einfacher Weise erhalten wird auf Grundlage von für
diskrete Stützstellen gespeicherten Korrekturwerten und/oder
auf Grundlage von Interpolationsfunktionen, die durch Korrekturwerte
oder Korrekturfaktoren an diskreten Stützstellen definiert
sind. Dabei kann wieder eine Interpolation zwischen Korrekturwerten für
solche Stützstellen erfolgen, die aktuell gemessenen oder
bestimmten Werten am nächsten liegen, so dass die diskreten
Korrekturwerte dann wieder als eine Look-up-Table definierend angesehen
werden können. Die Stützstellen sind dabei wieder
jeweils durch diskrete Werte derjenigen Größen
gegeben, in Abhängigkeit derer der korrigierte Differenzdruck bzw.
der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor berechnet wird.
Die Genauigkeit erhöhende Interpolationsfunktionen können
dazu bspw. durch polynomiale Regression bestimmt werden. Wieder
sind verschiedene Kombinationen denkbar, wenn der dritte Korrekturwert
oder der Korrekturfaktor von mehr als einer Variablen abhängt.
So kann beispielsweise für diskrete Temperaturwerte, z.
B. für fünf verschiedene erste Temperaturen, jeweils
eine Druckabhängigkeit des dritten Korrekturwertes oder
des Korrekturfaktors, beispielsweise eine Abhängigkeit
vom korrigierten zweiten Druck, durch eine Interpolationsfunktion oder
durch Interpolationsfunktionen definiert sein. Dazu können
z. B. Polynome dritten oder höheren Grades verwendet werden,
die vorzugsweise abschnittsweise definiert sind auf Basis von vier
oder mehr dem aktuellen Druckmesswert am nächsten liegenden
Druck-Stützstellen. Genauso gut kann eine Look-up-Table
zur Bestimmung der Druckabhängigkeit dienen, während
die Temperaturabhängigkeit des dritten Korrekturwertes
oder des Korrekturfaktors durch Interpolationsfunktionen oder durch
eine Interpolationsfunktion definiert wird.
-
Das
beschriebene Verfahren kann dadurch weiter entwickelt werden, dass
ferner eine automatische Driftkorrektur vorgenommen wird, indem
bei Eintritt von Bedingungen, die einen bestimmten tatsächlichen
Systemzustand indizieren, der erste Druckmesswert oder der korrigierte
erste Druck mit einem ersten Referenzwert verglichen wird und der zweite
Druckmesswert oder der korrigierte zweite Druck mit einem zweiten
Referenzwert verglichen wird, wobei dabei ermittelte Differenzen
zwischen den Referenzwerten und den damit verglichenen aktuell gemessenen
Größen für folgende Differenzdruckmessungen
zum jeweiligen Druckmesswert oder zum korrigierten ersten Druck
oder zum korrigierten zweiten Druck hinzuaddiert werden. Alterungserscheinungen
der Drucksensoren, die typischerweise zu einer im Wesentlichen druckabhängigen
Drift der Druckmesswerte führen, können damit in
einfacher Weise kompensiert werden, was eine auch langfristig hohe
Messgenauigkeit zur Folge hat. Bei dem genannten Systemzustand,
bei dessen Eintreten eine Driftkorrektur vorgenommen werden soll, handelt
es sich typischerweise um einen – vorzugsweise über
einen längeren Zeitraum anhaltenden – Maschinenstillstand
oder Urzustand, der z. B. durch eine verschwindende Druckdifferenz
zwischen den Einzeldrücken bei einem Umgebungsdruck entsprechenden
Werten der Einzeldrücke an den beiden Drucksensoren charakterisiert
sein kann. Zusätzlich kann der bestimmte Systemzustand
durch Werte für die erste Temperatur und die zweite Temperatur definiert
sein, die deutlich unter üblichen Betriebstemperaturen
liegen. Bei den Referenzwerten kann es sich jeweils um einen Offset
handeln, der für den genannten bestimmten Systemzustand
im Neustand der entsprechenden Messanordnung oder nach einer letzten
Driftkorrektur gespeichert worden ist. Die durch das Vergleichen
mit den Referenzwerten ermittelten Differenzen können gegebenenfalls
auf den jeweiligen alten Offset aufaddiert werden zur Bildung eines anstelle
des alten Offsets zu speichernden neuen Offsets für jeden
der beiden Drucksensoren. Alternativ kann die jeweilige Differenz
zum entsprechenden Referenzwert berücksichtigt werden durch
einen konstanten Summanden in jener Korrekturstufe, in der aus dem
jeweiligen Druckmesswert der korrigierte erste oder zweite Druck
gebildet wird. Im zuerst genannten Fall kann eine Logik für
die Driftkorrektur in einer dem jeweiligen Drucksensor zugeordneten Primärelektronik
integriert sein, unter Umständen einschließlich
einer Elektronik für den Vergleich des jeweiligen Druckmesswerts
mit dem entsprechenden Referenzwert.
-
Der
Eintritt der genannten Bedingung, die auf den bestimmten Systemzustand
hinweist, kann vorteilhafterweise festgestellt werden, indem mindestens
eine der Größen erster Druckmesswert, korrigierter
erster Druck, erste Temperatur und/oder mindestens eine der Größen
zweiter Druckmesswert, korrigierter zweiter Druck, zweite Temperatur und/oder
eine der Größen Differenzdruck, korrigierter Differenzdruck
jeweils daraufhin geprüft werden, ob sie in ein jeweils
definiertes Intervall fallen, wobei eine Durchführung der
Driftkorrektur dann ausgelöst wird, wenn die geprüften
Größen in die jeweils definierten Intervalle fallen.
Diese Intervalle können für den typischsten Fall
definiert sein durch Umgebungen eines typischen oder eigens gemessenen
Umgebungsdrucks für die Einzeldrücke oder einer
typischen oder eigens gemessenen Raum- oder Außentemperatur
für die in einer Umgebung der Drucksensoren gemessenen
Temperaturen oder durch eine kleine Null-Umgebung für die
Druckdifferenz.
-
Damit
der Systemzustand, der bei einer Driftkorrektur herrschen soll,
mit hinreichend hoher Sicherheit gegeben ist, wenn eine Driftkorrektur
ausgelöst wird, sollten vorzugsweise möglichst
viele der genannten oder anderer Größen mit diesem
Systemzustand charakterisierenden Differenzwerten verglichen werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens mit Driftkorrektur
beschriebener Art sieht vor, dass zum Feststellen des Eintritts
der genannten Bedingung ferner eine weitere Temperatur und/oder eine
weiterer Druck gemessen wird und jeweils mit mindestens einer der
geprüften Größen verglichen oder auf Überschneidung
mit einem jeweils definierten Referenzintervall geprüft
wird. Dazu kann die verwendete Messanordnung einen entsprechenden
weiteren Sensor aufweisen. Die weitere Temperatur oder der weitere
Druck kann dabei intern (also in einem Sensorgehäuse, das
auch den ersten und/oder den zweiten Drucksensor aufnimmt, vorzugsweise jedoch
dennoch möglichst weit vom ersten oder zweiten Druck- oder
Temperatursensor entfernt) oder auch extern gemessen werden und
beispielsweise einer Raumtemperatur oder einem Umgebungsdruck entsprechen.
Dadurch kann eine weitere Plausibilitätsprüfung
daraufhin erfolgen, ob der für die Durchführung
der Driftkorrektur gewünschte bestimmte Systemzustand – also
typischerweise der Maschinenstillstand – tatsächlich
vorliegt.
-
Auch
kann vorgesehen sein, dass die Driftkorrektur nur dann ausgelöst
wird, wenn die genannten Bedingun gen länger als eine Mindestzeit
erfüllt bleiben, damit beispielsweise ein hinreichender
langer Maschinenstillstand indiziert wird, der auf gleiche Einzeldrücke
zu schließen erlaubt, bevor eine Driftkorrektur vorgenommen
wird.
-
Ein
Ausführungsbeispiel für die vorliegende Erfindung
wird nachfolgend anhand der 1 beschrieben.
Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Messanordnung
zur Differenzdruckmessung in einer Ausführung der Erfindung.
-
In
der 1, die auch der Veranschaulichung eines entsprechenden
Verfahrens zur Differenzdruckmessung dient, ist zunächst
ein erster Drucksensor 1 zum Ermitteln eines ersten Druckmesswertes
P1 und ein zweiter Drucksensor 2 zum Ermitteln eines zweiten
Druckmesswertes P2 zu erkennen. Diese Drucksensoren 1 und 2 sollen
im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils einen piezoresistiven
Widerstand als Wandler aufweisen, der, wie schematisch angedeutet,
jeweils in einer Wheatstone-Brücke verschaltet ist. Stattdessen
könnten selbstverständlich auch alle anderen bereits
erwähnten Arten von Sensoren zur Druckmessung verwendet
werden, wobei nicht nur Absolutdrucksensoren, sondern auch Relativdrucksensoren
in Frage kommen.
-
Ebenfalls
schematisch dargestellt sind eine erste Primärelektronik 3 und
eine zweite Primärelektronik 4, die jeweils mit
dem ersten Drucksensor 2 oder dem zweiten Drucksensor 2 eine
Einheit bilden und in denen bereits eine Kalibrierung eines vom
entsprechenden Drucksensor 1 oder 2 erhaltenen
Messwerts sowie eine Umwandlung in ein digitales Signal zur Darstellung
des jeweiligen Druckmesswertes P1 oder P2 erfolgen kann. Eine alternative
Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die erste Primärelektronik 3 und
die zweite Primärelektronik 4 analoge Signale
zur weiteren Verarbeitung abgeben. In eine den Drucksensor 1 oder 2 und
die entsprechende Primärelektronik 3 oder 4 umfassende
Sensoreinheit integriert ist jeweils auch ein erster Temperatursensor zum
Messen einer ersten Temperatur T1 in einer Umgebung des ersten Drucksensors 1 bzw.
ein zweiter Temperatursensor zum Messen einer zweiten Temperatur
T2 in einer Umgebung des zweiten Drucksensors 2.
-
Den
Drucksensoren 1 und 2 mit der entsprechenden Primärelektronik 3 oder 4 nachgeschaltet
ist eine Recheneinheit 5, bei der es sich hier um einen Mikrocontroller
handelt. Diese Recheneinheit 5 umfasst Mittel 6 zum
Korrigieren des ersten Druckmesswertes P1, die einen korrigierten
ersten Druck P1korr in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert P1 und von der ersten Temperatur T1 ausgeben,
sowie Mittel 7 zum Korrigieren des zweiten Druckmesswertes
P2, die einen korrigierten zweiten Druck P2korr in
Abhängigkeit vom zweiten Druckmesswert P2 und von der zweiten
Temperatur T2 ausgeben. Ferner ist die Recheneinheit 5 programmtechnisch
eingerichtet zum Berechnen eines Differenzdrucks Pdiff als
Differenz zwischen dem korrigierten ersten Druck P1korr und dem
korrigierten zweiten Druck P2korr. Der so
ermittelte Differenzdruck Pdiff wird zunächst
durch Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor x skaliert. Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Recheneinheit 5 zusätzlich
Mittel 8 zum Korrigieren des Differenzdrucks Pdiff auf,
die einen korrigierten Differenzdruck Pdiffkorr in
Abhängigkeit vom korrigierten zweiten Druck P2korr,
anstelle dessen auch der zweite Druckmesswert P2 verwendet werden
könnte, und von der ersten Temperatur T1, anstelle derer
auch die zweite Temperatur T2 verwendet werden könnte, aus
dem mit dem Skalierungsfaktor x multiplizierten Differenzdruck Pdiff
berechnen und an einen Digital-Analog-Wandler 9 ausgeben.
Bei anderen Ausführungen der Erfindung fehlen diese Mittel 8 zum Korrigieren
des Differenzdrucks Pdiff und wieder andere Ausführungen
sehen vor, dass eine Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor x
erst nach der Korrektur des Differenzdrucks Pdiff zum korrigierten
Differenzdruck Pdiffkorr erfolgt.
-
Neben
einem Ausgang 10 für ein analoges Ausgangssignal
am Digital-Analog-Wandler 9 weist die abgebildete Messanordnung
auch einen weiteren Ausgang 11 für ein digitales
oder pulsweitenmoduliertes korrigiertes Differenzdrucksignal sowie
zusätzliche Ausgänge 12 auf, von denen
hier nur einer für ein dem korrigierten ersten Druck entsprechendes Einzeldrucksignal
abgebildet ist. Dargestellt ist auch eine Versorgungsleitung für
eine Versorgungsspannung U0.
-
Bei
dem entsprechenden Verfahren zur Differenzdruckmessung wird durch
eine entsprechende programmtechnische Einrichtung der Recheneinheit 5 der
korrigierte erste Druck P1korr gebildet
durch Addition eines in Abhängigkeit vom ersten Druckmesswert
P1 und von der ersten Temperatur T1 definierten ersten Korrekturwertes
Pkorr1 zum ersten Druckmesswert. Dementsprechend wird der korrigierte zweite
Druck P2korr gebildet durch Addition eines in Abhängigkeit
vom zweiten Druckmesswert P2 und von der zweiten Temperatur T2 definierten
zweiten Korrekturwertes Pkorr2 zum zweiten Druckmesswert P2. Die
beiden Korrekturwerte Pkorr1 und Pkorr2 werden dabei jeweils erhalten
auf Grundlage von für diskrete Stützstellen gespeicherten
Korrekturwerten und auf Grundlage von Interpolations polynomen, die durch
Korrekturwerte an diskreten Stützstellen definiert sind.
Eine beispielhafte Programmierung der Recheneinheit 5 sieht
vor, dass für fünf verschiedene Temperaturwerte,
die ein für typische Betriebszustände charakteristisches
Intervall abdecken, Druckabhängigkeiten der Korrekturwerte
Pkorr1 bzw. Pkorr2 durch Interpolationspolynome dritten Grades definiert
sind. Innerhalb der Mittel 6 und 7 zum Korrigieren
des ersten und zweiten Druckmesswertes P1 und P2 sind dementsprechend
in der 1 schematisch dargestellte Look-up-Tables gespeichert,
die einen Satz entsprechender Interpolationspolynome für jeden
der fünf diskreten Temperaturwerte enthalten und aus denen
die Korrekturwerte Pkorr1 bzw. Pkorr2 abgelesen werden können,
wobei zur Ermittlung von Korrekturwerten Pkorr1 oder Pkorr2 für
Zwischenwerte der Temperaturen T1 bzw. T2 linear interpoliert werden
kann.
-
In
ganz ähnlicher Weise wird der korrigierte Differenzdruck
Pdiffkorr gebildet durch Addition eines dritten
Korrekturwertes zu dem mit dem Skalierungsfaktor x multiplizierten
Differenzdruck Pdiff oder durch Multiplikation des skalierten Differenzdrucks Pdiff
mit einem Korrekturfaktor, wobei dieser dritte Korrekturwert oder
der Korrekturfaktor in Abhängigkeit vom korrigierten zweiten
Druck P2korr und von der gemessenen Temperatur
T1 definiert ist. Zusätzlich könnte der dritte
Korrekturwert oder der Korrekturfaktor auch in Abhängigkeit
der zweiten Temperatur T2 definiert und dadurch von insgesamt drei
Variablen abhängig sein. Der dritte Korrekturwert oder
der Korrekturfaktor wird erhalten wieder auf Grundlage von für
diskrete Stützstellen gespeicherten Korrekturwerten und
auf Grundlage von Interpolationspolynomen, die durch Korrekturwerte
oder Korrekturfaktoren an diskreten Stützstellen definiert
sind. Dementsprechend weisen die Mittel 8 zum Korrigieren
des Differenzdrucks Pdiff eine in der 1 schematisch
dargestellte Look-up-Table auf, in der für fünf
verschiedene Werte der ersten Temperatur T1 Interpolationspolynome
gespeichert sind, die die Abhängigkeit des dritten Korrekturwerts
oder des Korrekturfaktors vom korrigierten zweiten Druck definieren.
-
Die
abgebildete Messanordnung ist ferner programmtechnisch zur automatischen
Durchführung von Driftkorrekturen für die Drucksensoren 1 und 2 eingerichtet.
Dazu werden die Größen P1, P2, T1, T2 und Pdiff
automatisch daraufhin geprüft, ob sie in Intervalle fallen,
die einen längeren Maschinenstillstand indizieren, weil
die Temperaturen T1 und T2 deutlich unter typischen Betriebstemperaturen und/oder
im Bereich einer typischen oder mit einem weiteren Temperatursensor
eigens gemessenen Raumtemperatur liegen und die beiden Druckmesswerte
P1 und P2 bei zumindest nahezu verschwindendem Differenzdruck Pdiff
Werte im Bereich eines üblichen oder mit einem weiteren
Drucksensor eigens gemessenen Umgebungsdrucks einnehmen. Wenn die
genannten Größen in die jeweils entsprechend definierten
Intervalle fallen und diese Bedingung über ein längere
Zeit erfüllt ist, wird die Durchführung der Driftkorrektur
ausgelöst, indem der ersten Druckmesswert P1 mit einem
ersten Referenzwert verglichen wird und der zweite Druckmesswert P2
mit einem zweiten Referenzwert verglichen wird, wobei dabei ermittelte
Differenzen zwischen aktuell gemessenen Druckmesswerten P1 und P2
und den jeweiligen Referenzwerten jeweils als Offsetkorrektur in
der Primärelektronik 3 oder 4 zu einem
dort bislang gespeicherten Offset-Wert addiert werden, wodurch neue
Offset-Werte definiert werden, die dann dort gespeichert werden.
Auch der genannte Vergleich mit den Referenzwerten kann in den Primärelektroniken 3 und 4 geschehen.
-
Nach
alledem wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Differenzdrucksensor
auf Basis mathematischer Differenzbildung vorgeschlagen. Die Ausgangssignale
zweier separat abgeglichener Drucksensoren 1 und 2 werden
dabei mit Hilfe eines in einem Mikrocontroller abgelegten Programms
voneinander subtrahiert, um das resultierende Differenzsignal zwischen
den beiden gemessenen Einzeldrücken zu ermitteln. Im Mikrocontroller
werden durch eine entsprechende Software zusätzliche Korrekturen
der Signale sowie eine Verstärkung ausgeführt,
um ein für die Anwendung benötigtes Ausgangssignal
mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren.
-
Die
Erfindung löst die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme
durch den Einsatz zweier separater Sensoren, aus deren Ausgangssignalen
auf mathematischem Wege (zum Beispiel über die in einem
Mikrocontroller implementierte Software) ein Differenzsignal gebildet
wird. Damit ist – bei Verwendung entsprechender Einzelsensoren,
wie z. B. hermetisch verschweißter Edelstahlwandler – der
Einsatz auch für Anwendungsfälle mit aggressiven
Medien kein Problem. Weiterhin ist eine flexible Bauformgestaltung
möglich. Denkbar sind Ausführungen, bei denen
beide Einzelsensoren und die Auswerteelektronik in einem Gehäuse
angeordnet sind, aber auch eine separate Anordnung der einzelnen Komponenten.
-
Das
Problem der Überdruckfestigkeit (Linepressurefestigkeit)
wird durch den Einsatz von Einzelsensoren, deren Nenndruckbereich
mit dem geforderten Line- Pressure-Bereich identisch ist, gelöst. Die
für das Differenzdrucksignal geforderte Auflösung
wird durch eine entsprechende Verstärkung vor oder nach
der Differenzbildung erreicht.
-
Wesentlich
für die Anwendbarkeit der Erfindung und das Erreichen einer
für die Anwendungen sinnvollen Genauigkeit ist die dem
Funktionsprinzip zugrundeliegende Strategie der Signalverarbeitung und
-aufbereitung im Sensor. Dessen Elemente sind für ein Beispiel
anhand der 1 erläutert.
-
Zusätzlich
ist es für einige Anwendungsfälle mit sehr hohen
Genauigkeitsanforderungen nötig und möglich, eine
Driftkorrektur für Offset und gegebenenfalls Spanne in
den Sensor zu integrieren. Ein solcher Ansatz besteht in der Anwendung
des in der Druckschrift
DE 10 2004 056 133 A1 dargelegten, auf einer
internen Bereichsumschaltung basierenden Prinzips. Ein zweiter Ansatz
wertet zusätzliche Informationen aus und nutzt diese zur
Identifikation eines bekannten Systemzustandes, auf dessen Basis
ein Korrekturfaktor oder ein Korrekturwert ermittelt werden kann.
-
1 verdeutlicht
das Funktionsprinzip der Erfindung.
-
Zwei
Sensorzellen (Drucksensor 1 und Drucksensor 2,
in diesem Beispiel resistive Wandlerelemente mit als Wheatstone-Brücke
geschalteten Widerständen) wandeln den Druckwert je einer
der beiden zu messenden Einzeldrücke in die Änderung der
elektrischen Brückenspannung der Widerstände. Diese
Signaländerung wird in einem ersten Korrekturschritt für
jeden der beiden Drücke einzeln in einem nachgeschalteten
Funktionsblock (Primärelektronik 3 und 4)
auf den Nenndruckbe reich der Einzeldruckkanäle (Linepressure)
kalibriert, und gegenüber Temperatur- und anderen Fehlereinflüssen
kompensiert. Dies kann durch Einsatz spezieller ASICs (Schaltkreise
für Sensorsignalkonditionierung) erfolgen, durch Einsatz
von speziellen Verstärkerelementen und durch eine entsprechende
Software-Routine im Mikrocontroller. In der Regel erfolgt bei diesem Schritt
bereits eine A/D-Wandlung des Signals, so dass die weitere Kommunikation
mit sowie Datenbehandlung im Mikrocontroller auf rein digitaler
Basis stattfindet. Eine Mittelung des Signals (z. B. gleitende Mittelwertbildung)
kann zur Glättung und Vermeidung von Spitzen eingesetzt
werden.
-
Im
nächsten Schritt wird für jeden der Druckmesswerte
P1 und P2 einzeln ein Korrekturwert Pkorr1 bzw. Pkorr2 errechnet,
der von aktuell angelegtem Druck und der am Sensor gemessenen Temperatur
abhängt. Diese Korrekturwerte werden ermittelt aus den
Ausgangssignalwerten der Primärelektronik sowie einer Referenztabelle
(Look-up-Table), welche durch eine Charakterisierung der Ausgangssignale
der Primärelektronik für jeden der Sensoren über
eine Anzahl Drücke und Temperaturen (Stützstellen)
ermittelt wird. Diese Charakterisierung erfolgt gegen ein kalibriertes
Normal und mit einer für die Differenzbildung und anschließende
Signalverstärkung hinreichenden Genauigkeit und Auflösung.
-
Alternativ
kann die Korrektur der Einzeldruckwerte durch eine Polynomberechnung
erfolgen, wobei das Korrekturpolynom aus einer Regression über
die Stützstellen Druck oder/und Temperatur ermittelt wird.
Auch eine Kombination aus Look-up-Table (z. B. für Temperatur)
und Korrekturpolynom (z. B. Druck) ist möglich. Zwischenwerte
werden durch lineare Approxi mation ermittelt.
-
Im
nächsten Schritt wird aus den korrigierten Drücken
P1korr und P2korr die
Differenz gebildet und diese um einen Faktor x verstärkt.
Der Faktor x ergibt sich aus der Auflösung und Skalierung
der Einzeldrucksignale P1korr und P2korr im Verhältnis zur geforderten
Auflösung und Skalierung des Differenzdruckausgangssignals.
-
Nach
der Ermittlung und Skalierung (Verstärkung) des Differenzsignals
Pdiff wird dieses entweder direkt digital, oder nach einer Protokollumwandlung
(z. B. A/D-Wandlung oder als PWM) zur Nutzung ausgegeben.
-
Für
den Fall, dass die so erzielte Genauigkeit des Differenzdrucksignals
für die Anwendung nicht ausreicht, kann vor Ausgabe des
Signals ein weiterer Korrekturschhritt integriert werden, Dieser
wird analog zur Korrektur der Einzelsignale ausgeführt
(Ermittlung der Korrekturgröße Pdiffkorr zum
aktuellen Ausgangswert in Abhängigkeit von aktueller Temperatur,
Differenzdruckwert und ggf. Linepressure). Die Korrekturwerte werden
wiederum ermittelt aus einer Anzahl von Ausgangssignalwerten über
Druck und Temperatur (Charakterisierung des Differenzdruckausgangssignals).
-
Optional
können die Einzeldrucksignale oder/und der Temperaturwert
als zusätzliche Ausgangswerte aus dem Aufbau herausgeführt,
und somit zusätzliche Funktionen in das Sensorsystem integriert
werden.
-
Für
die Korrektur einer zum Beispiel durch langsame Veränderung
der Eigenschaften der einzelnen Druckmesszellen über Lebensdauer
(Drift durch Alterung) hervorgerufene Drift des Ausgangssignales
wird u. a. folgendes Vorgehen vorgeschlagen:
Als eindeutig
bekannter Systemzustand wird ein Betriebszustand angenommen, bei
dem an den beiden Einzelsensoren Sensor 1 und Sensor 2 derselbe Druck
anliegt, in der Regel Umgebungsdruck. Kann dieser Betriebszustand
eindeutig identifiziert werden, wird das aktuell anliegende Differenzdruck-Ausgangssignal
(Offset) mit einem im Speicher abgelegten, dem Ausgangssignal (Offset)
im Neuzustand entsprechenden Wert verglichen. Aus der Differenz wird
ein Korrekturwert gebildet, der nach Neustart im Betrieb zum aktuellen
Ausgangssignal des Sensors addiert wird. Dadurch erfolgt eine Korrektur
desselben. Der Vergleich und die Korrektur können im sensorinternen
Mikrocontroller implementiert werden, ohne das Gesamtkonzept ändern
zu müssen.
-
Die
Identifikation des definierten Betriebszustandes erfolgt durch Auswertung
zusätzlicher Informationen. Steht eine Kommunikation mit
dem übergeordneten System (z. B. durch bus-basierte Kommunikation)
nicht zur Verfügung, kann zum Beispiel durch Vergleich
mehrerer sensorinterner, aber räumlich getrennt angeordneter
Temperatursignale über einen bestimmten Zeitraum ein Temperaturunterschied
zwischen Applikation, Druckmedium und Umgebung gemessen werden.
Geht dieser Unterschied über einen bestimmten systemabhängigen
Zeitraum gegen 0 und weicht nicht deutlich von für Umgebungstemperaturen üblichen
Werten ab, kann in vielen Fällen von einem längeren
Stillstand der Applikation und damit dem Anliegen von Umgebungsdruck an
beiden Einzelsensoren ausgegangen und der bereits beschriebene Korrekturalgorithmus
gestartet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004056133
A1 [0032]