DE102011083133B4 - Verfahren zur Selbstüberwachung einer keramischen Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors und eine Auswerteschaltung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Selbstüberwachung einer kapazitiven keramischen Druckmesszelle, die einen Messkondensator Cund einen Referenzkondensator Caufweist und der Hauptmesswert dadurch gewonnen wird, dass der Quotient C/ C, der vom Prozessdruck p abhängt, ausgewertet wird, wobei der Messkondensator Cperiodisch mit einem konstanten Ladestrom I(t) auf- und wieder entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kontrollmesswert gewonnen wird, bei dem die Frequenz des Vorzeichenwechsels des Ladestroms I(t) ausgewertet wird, die ebenfalls vom Prozessdruck p abhängt und der Hauptmesswert PV1 mit dem Kontrollmesswert PV2 verglichen wird und bei Abweichungen ein Fehlersignal erzeugt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstüberwachung einer keramischen Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors sowie eine Auswerteschaltung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 6.
• Kapazitive Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
• Typische Messzellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat.
• Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
• Aus der DE 198 51 506 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem der Druckmesswert aus dem Quotient zweier Kapazitätswerte, eines Messkondensators und eines Referenzkondensators, ermittelt wird. In dieser Patentschrift ist eine Druckmesszelle zwar nicht speziell beschrieben, die dargestellte Schaltung und das beschriebene Verfahren ist aber für keramische Druckmesszellen geeignet.
• Aus der EP 0 569 573 B1 ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls ein Quotientenverfahren zur Druckauswertung eingesetzt wird.
• Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus: $$p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}\text{ bzw}\text{. }p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}-1\text{ oder }p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{M}}-{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}+{\text{C}}_{\text{R}}},$$

  

  wobei C_M die Kapazität des Messkondensators, C_R die Kapazität des Referenzkondensators und p den zu bestimmenden Prozessdruck bezeichnet. Denkbar ist auch die Möglichkeit, C_M und C_R im Quotienten zu vertauschen. Das angegebene Beispiel mit C_M im Nenner stellt allerdings zugunsten der Eigenlinearisierung die gebräuchlichste Form dar. Im Folgenden wird daher von dieser Ausführungsform ausgegangen, sofern nicht anders angegeben.
• Bei dem Quotientenverfahren werden grundsätzlich zwei Kondensatoren, nämlich ein Messkondensator C_M und ein Referenzkondensator C_R, benötigt. Wobei für eine genaue Druckmessung die Referenzkapazität C_R möglichst nicht vom Druck abhängig sein soll.
• Die Zuverlässigkeit bei kapazitiven Drucksensoren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Problematisch bei kapazitiven Drucksensoren, die nach dem Quotientenverfahren arbeiten, ist, dass bei einem Membranbruch ein Mediumseintritt aufgrund der Quotientenbildung nicht erkannt werden könnte, weil sich sowohl im Zähler wie auch im Nenner die Dielektrizitätszahl entsprechend ändert.
• Darüber hinaus kann sich bei einem Membranriss die wirksame Fläche des Referenzkondensators ändern. Dadurch weicht der gemessene Druckwert vom tatsächlichen herrschenden Druckwert ab. Diese Fehlfunktion wird nicht erkannt.
• Um einen genauen Messwert zu erhalten werden die Messsignale entsprechend elektronisch verstärkt. Bei einem Verstärkungsfehler, wird ebenfalls ein fehlerhafter Druckwert ausgegeben.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors und eine entsprechende Auswerteschaltung anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen, die insbesondere eine sichere und zuverlässige Erkennung der oben genannten Fehlerfälle erlaubt.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben. Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin bei einem Verfahren zur Selbstüberwachung einer kapazitiven keramischen Druckmesszelle neben einem Hauptmesswert, der über den Quotient C_ref / C_mess ermittelt wird zusätzlich noch einen Kontrollmesswert zu ermitteln. Zur Ermittlung des Hauptmesswertes wird der Messkondensator C_mess periodisch mit einem konstanten Ladestrom I(t) auf bzw. entladen. Der Kontrollmesswert wird dadurch gewonnen, dass die Frequenz des Vorzeichenwechsels des Ladestroms I(t) ausgewertet wird. Durch Vergleich von Hauptmesswert und Kontrollmesswert kann auf die Funktionsfähigkeit der Druckmesszelle bzw. der Auswerteelektronik geschlossen werden. Bei Abweichungen zwischen den beiden Werten wird ein Fehlersignal erzeugt.
• Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Drucksensors,
• 2 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Druckmesszelle,
• 3 eine Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß 2,
• 4 eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß 2,
• In 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Drucksensors dargestellt, der zur Messung eines Prozessdrucks p (z. B. von Öl, Milch, Wasser etc.) eingesetzt wird. Der Drucksensor 1 besteht im Wesentlichen aus einer Druckmesszelle 10 und einer Auswerteelektronik 20. Die Auswerteelektronik 20 weist eine analoge Auswerteschaltung 30 und einen Mikrocontroller µC auf, in dem das analoge Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller µC stellt das Auswerteergebnis als digitales oder analoges Ausgangssignal z. B. einer SPS zur Verfügung. Zur Energieversorgung ist der Drucksensor 1 an eine Spannungsversorgungsleitung (12 - 36 V) angeschlossen.
• 2 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Drucksensoren eingesetzt wird, in schematischer Darstellung. Die Druckmesszelle 10 besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper 12 und einer Membran 14, die über einen Glaslotring 16 miteinander verbunden sind. Der Grundkörper 12 und die Membran 14 begrenzen einen Hohlraum 19, der - vorzugsweise nur bei niedrigen Druckbereichen bis 50 bar - über einen Entlüftungskanal 18 mit der Rückseite der Druckmesszelle 10 verbunden ist.
• Sowohl auf dem Grundkörper 12 wie auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator C_R und einen Messkondensator C_M bilden. Der Messkondensator C_M wird durch die Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.
• Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators C_M . Der Einfluss auf den Referenzkondensator C_R ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.
• Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. C_M bezeichnet deshalb sowohl den Messkondensator an sich, wie auch dessen Kapazität.
• In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator C_M ist zusammen mit einem Widerstand R₁ in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator C_R zusammen mit einem Widerstand R₂ in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung U_E0 an, die vorzugsweise symmetrisch um 0 Volt variiert. Die Rechteckspannung U_E0 wird über den Widerstand R₁ und den Messkondensator C_M mithilfe eines Operationsverstärkers OP1, der als Integrator arbeitet, in ein linear ansteigendes bzw. abfallendes Spannungssignal (je nach Polarität der Eingangsspannung) umgewandelt, das am Ausgang COM des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Der Messpunkt P1 liegt dabei durch den Operationsverstärker OP1 virtuell auf Masse.
• Der Ausgang COM ist mit einem Schwellwertkomparator SG verbunden, der einen Rechteckgenerator RG ansteuert. Sobald das Spannungssignal am Ausgang COM einen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, ändert der Komparator SG sein Ausgangssignal, woraufhin der Rechteckgenerator seine Ausgangsspannung jeweils invertiert.
• Der Differenzierzweig DZ besteht weiter aus einem Operationsverstärkers OP2, einem Spannungsteiler mit den beiden Widerständen R₅ und R₆ und einem Rückführungswiderstand R₇ . Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Sample-and-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung S&H liegt die Messspannung U_Mess an, die proportional zum Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, ist.
• Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker OP1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand R₁ und dem Messkondensator C_M virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom I₁ über den Widerstand R₁ , der den Messkondensator C_M solange auflädt, bis die Rechteckspannung U_E0 ihr Vorzeichen wechselt
• Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R₁= R₂ und C_M = C_R der Verbindungspunkt P2 im Differenzierzweig DZ sogar dann auf dem gleichen Potenzial wie der Verbindungspunkt P1, also auf Masseniveau liegt, wenn die Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt P2 und dem Operationsverstärker OP2 nicht vorhanden wäre. Dies gilt nicht nur in diesem speziellen Fall, sondern immer dann, wenn die Zeitkonstanten R₁ * C_M und R₂ * C_R zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände R₁ bzw. R₂ entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators C_M durch Druckeinwirkung ändert, ist die Bedingung der Gleichheit der Zeitkonstanten im Integrierzweig IZ und im Differenzierzweig DZ nicht mehr gegeben und das Potenzial am Verbindungspunkt P2 würde vom Wert Null abweichen. Dieser Änderung wird aber unmittelbar mit dem Operationsverstärker OP2 entgegengewirkt, da der Operationsverstärker OP2 den Verbindungspunkt P2 weiterhin virtuell auf Masse hält. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 liegt deshalb ein Rechteckpuls U_R an, dessen Pulshöhe vom Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt. Man kann leicht zeigen, dass die Pulshöhe direkt proportional zum Prozessdruck p ~ C_R/C_M - 1 ist, wobei die Abhängigkeit im Wesentlichen linear ist. Die Pulshöhe dieses Spannungspulses lässt sich über den Spannungsteiler, der durch die beiden Widerstände R₅ und R₆ gebildet wird, einstellen.
• Über eine Sample&Hold-Schaltung S&H wird die positive und negative Pulshöhe A+ bzw. A-des Rechteckpuls bestimmt und der Betrag A als Messspannung U_Mess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller µC (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Pulshöhe der Rechteckspannung U_E0 , die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der Messspannung U_Mess eingestellt, um eine bessere Linearität zu erzielen. Hierfür ist ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R₂₀ und R₁₀ vorgesehen. Dieser Spannungsteiler ist mit einer Referenzspannung V_REF verbunden und vorteilhafterweise abgleichbar.
• In 4 ist die erfindungsgemäße Auswerteschaltung 30 dargestellt. Diese Schaltung entspricht der Schaltung nach 3. zusätzlich wird jedoch die Rechteckspannung U_E0 abgegriffen und deren Vorzeichenwechsel z. B. im Mikrocontroller µC ausgewertet.
• Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert.
• Der Hauptmesswert PV1 für den Druck p wird in herkömmlicher Weise dadurch gewonnen, dass der Messkondensator periodisch mit einem konstanten Ladestrom auf bzw. entladen wird. Dabei werden im Mikrocontroller noch verschieden Faktoren softwaremäßig berücksichtigt, so dass sich der Hauptmesswert PV1 folgendermaßen berechnet: $$\text{PV1}={\text{K1*V}}_{el}*\left(\frac{C_{ref}}{C_{mess}}-1\right)$$

  

  mit $${\text{C}}_{mess}=\frac{A_{mess}\ast {\epsilon }_0}{l_{mess}}{\text{ und C}}_{ref}=\frac{A_{ref}\ast {\epsilon }_0}{l_{ref}}$$

  

  sowie l_ref = const.
  ergibt sich $$\text{PV1}=\text{K}1*{\text{V}}_{el}*{\text{V}}_{cell}*\left(l_{mess}-1\right)$$

  
• Wobei
• K1: Abgleichwerte für den Prozesswert PV1 (Software)
• V_el: Verstärkungsfaktor in der Elektronik
• V_cell: Verstärkungsfaktor der Druckmesszelle
• l_mess: Druckabhängiger Stromwert hängt vom Abstand zwischen den beiden Platten des Messkondensators ab
• l_ref: Druckabhängiger Stromwert hängt vom Abstand zwischen den Platten des Referenzkondensators (idealerweise konstant)
• A_mess: Plattenfläche des Messkondensators (konstant)
• A_ref: Plattenfläche des Referenzkondensators (konstant)
• Durch diese Quotientenauswertung wird eine hohe Genauigkeit < 0.5% des Hauptmesswertes PV1 erzielt.
• Zusätzlich wird noch ein Kontrollmesswert PV2 für den Druck p erfasst, wobei die Frequenz f_mess des Vorzeichenwechsels des Ladestroms I(t) im Mikrocontroller ausgewertet wird. Dazu wird die Rechteckspannung U_E0 dem Mikrocontroller µC zugeführt, digitalisiert und die Frequenz f ausgewertet.
• Die Frequenz f_mess hängt folgendermaßen von der Kapazität des Messkondensators C_mess und somit vom Druck p ab.
• Softwaremäßig ist der Kontrollmesswert PV2 linearisiert und temperaturkompensiert (Faktor K2). $$\text{PV2}=\text{K2*}{f}_{mess}$$

  

  mit $$f_{mess}={\text{F}}_{el}\frac{1}{C_{mess}}$$

  

  und $${\text{C}}_{mess}=\frac{A_{mess}\ast {\epsilon }_0}{l_{mess}}$$

  

  ergibt sich: $$\text{PV2}={\text{K2*F}}_{el}*{\text{F}}_{cell}*{\epsilon }_0*l_{mess}$$

  
• K2: Abgleichwerte für den Prozesswert PV2 (Software)
• F_el: Verstärkungsfaktor der Elektronik
• F_cell: Verstärkungsfaktor der Zelle
• Der Kontrollmesswert weist dabei eine Genauigkeit von 5-10% auf. Durch einen Temperatur und Druckabgleich kann die Genauigkeit von PV2 auf 2-3% verbessert werden.
• Wenn kein Fehler vorliegt stimmen die beiden Werte PV1 und PV2 innerhalb eines Toleranzbandes, das der Genauigkeit des Sensors entspricht, überein
• Folgende Fehler können u. a. detektiert werden:
• Die Membran 14 reißt auf Grund mechanischer Beschädigung und Medium mit einem anderen εr dringt in die Druckmesszelle 10 ein, was mittelfristig zur Zerstörung der Zelle führen würde. Der Hauptmesswert PV1 ändert sich nicht, da die Dielektrizitätskonstante ε0 bei der Ermittlung des Wertes nicht eingeht. Da sich jedoch C_mess auf Grund der Veränderung von ε0 ändert und somit auch die Frequenz f_mess , wird sich der Kontrollmesswert PV2 ändern. Dies führt zu einer Differenz der beiden Prozesswerte und kann signalisiert werden.
• Verändert sich auf Grund eines Membranrisses die wirksame Fläche der Referenzkapazität C_ref um 10%, so erhöht sich der Hauptmesswert PV1 um 11,1% - d.h. der Hauptmesswert ist falsch, ohne jedoch unplausibel zu sein, d.h. er ist immer noch im Messbereich des kapazitiven Drucksensors. PV2 ist unabhängig von C_ref , weshalb PV2 nicht beeinflusst wird und so wieder eine auswertbare Differenz zwischen PV1 und PV2 entsteht.
• Verändert sich auf Grund eines Verstärkungsfehlers der Elektronik V_el um 5% so wird sich auch der Prozesswert PV1 um 5% ändern. Die gemessene Frequenz f_mess ist aber weitgehend von Verstärkungsfehlern der Elektronik unabhängig, hier ist lediglich das zeitliche Verhalten ausschlaggebend. Aus diesem Grund wird sich die gemessene Frequenz f_mess und somit auch PV2 nicht ändern. Auch dadurch entsteht eine Differenz zwischen PV1 und PV2, die diagnostizierbar ist.
• Die Auswertung der beiden Messwerte PV1, PV kann nicht nur mit Hilfe eines Mikrocontrollers µC sondern auch in analoger Form erfolgen.
• Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich einen an sich bekannten Drucksensor mit wenig Aufwand so umzugestalten, dass er erhöhten Sicherheitsstandards (z. B. SIL- safty integrity level) entspricht, da er zuverlässig eine Eigendiagnose der Druckmesszelle bzw. der Elektronik durchführen kann.

Claims (6)

1. Verfahren zur Selbstüberwachung einer kapazitiven keramischen Druckmesszelle, die einen Messkondensator C_mess und einen Referenzkondensator C_ref aufweist und der Hauptmesswert dadurch gewonnen wird, dass der Quotient C_ref / C_mess, der vom Prozessdruck p abhängt, ausgewertet wird, wobei der Messkondensator C_mess periodisch mit einem konstanten Ladestrom I(t) auf- und wieder entladen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kontrollmesswert gewonnen wird, bei dem die Frequenz des Vorzeichenwechsels des Ladestroms I(t) ausgewertet wird, die ebenfalls vom Prozessdruck p abhängt und der Hauptmesswert PV1 mit dem Kontrollmesswert PV2 verglichen wird und bei Abweichungen ein Fehlersignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom I(t) sein Vorzeichen wechselt, wenn am Messkondensator C_mess ein bestimmter Schwellenspannungswert unter bzw. überschritten wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungssignal am Messkondensator mit Hilfe des Referenzkondensators C_ref differenziert wird und der Hauptmesswert PV proportional zu 1- C_ref /C_mess ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupmesswert mit einer Genauigkeit von < 0.5% und der Kontrollmesswert mit einer Genauigkeit von < 10% bestimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kontrollmesswert ein Temperatur- und/oder Druckabgleich erfolgt, wodurch die Genauigkeit des Kontrollmesswertes auf < 2% erhöht wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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