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Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zur Bestimmung einer Druckmessgröße sowie ein Verfahren zum Bedienen eines solchen Drucksensors.
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Drucksensoren dienen zur Erfassung von Drücken und werden gerne in der industriellen Messtechnik, bspw. zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Dabei kommen je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Ausprägungen von Drucksensoren zum Einsatz. So kann ein Drucksensor bspw. als Absolutdrucksensor, als Relativdrucksensor oder auch als Differenzdrucksensor ausgebildet sein. Vom Prinzip her sind jedoch alle Drucksensoren gleich aufgebaut und umfassen typischerweise ein Gehäuse in dem ein Drucksensorelement angeordnet ist. In der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Drucksensorelemente, bspw. auf Silizium basierende Drucksensorelemente, eingesetzt. Die Halbleiter-Drucksensorelemente weisen dabei eine Messmembran auf, welche in ihrem Randbereich typischerweise vier Widerstandselemente integriert hat. Die Messmembran wird auf ihrer ersten Seite mit einem ersten Druck und auf ihrer zweiten Seite mit einem zweiten Druck beaufschlagt, sodass die beiden Drücke eine Auslenkung der Messmembran hervorrufen. Die druckabhängige Auslenkung der Messmembran wird über die integrierten Widerstandselemente erfasst und ausgewertet, sodass eine Druckmessgröße ausgegeben werden kann. In Abhängigkeit davon, ob es sich um einen Relativdrucksensor, einen Absolutdrucksensor oder einen Differenzdrucksensor handelt, wird die Messmembran mit den entsprechenden beiden Drücken beaufschlagt.
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In dem Fall, dass der Drucksensor als Absolutdrucksensor ausgebildet ist, wird eine der beiden Seiten der Messmembran einem Vakuum ausgesetzt und der anderen Seite der Messmembran wird ein zu messender Mediendruck zugeführt. Der Absolutdrucksensor misst somit den Absolutdruck, also den zu messenden Mediendruck im Vergleich zu dem Vakuum als Referenzdruck.
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In dem Fall, dass der Drucksensor als Relativdrucksensor ausgebildet ist, wird eine der beiden Seiten der Messmembran einem atmosphärischen Luftdruck als Referenzdruck ausgesetzt und der anderen Seite der Messmembran wird ein zu messender Mediendruck zugeführt. Der Relativdrucksensor misst somit einen Relativdruck, also den zu messenden Mediendruck im Vergleich zu dem atmosphärischen Luftdruck.
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In dem Fall, dass der Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, wird einer der beiden Seiten der Messmembran ein erster zu messender Mediendruck und der anderen Seite der Messmembran ein zweiter zu messender Mediendruck zugeführt. Der Differenzdrucksensor misst somit einen Differenzdruck, also die Differenz der beiden Mediendrücke.
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Gemeinsam haben alle Drucksensoren, dass die ermittelte Druckmessgröße Messfehler aufweist. Diese Messfehler werden in der Spezifikation des jeweiligen Drucksensors über einen Toleranzbereich, in dem die ermittelte Druckmessgröße, mit einer definierten Wahrscheinlichkeit zutreffend ist, angegeben. Eine Ursache für solche Messfehler sind Änderungen eines dem Mediendruck inhärenten statischen Drucks.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen derartige Messfehler zu verringern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Drucksensors.
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Hinsichtlich des Drucksensors wird die Aufgabe durch einen Drucksensor zum Bestimmen einer Druckmessgröße gelöst, umfassend zumindest ein Gehäuse, ein in dem Gehäuse angeordnetes Drucksensorelement, ein ebenfalls in dem Gehäuse angeordnetes Leuchtmittel, sowie eine Regel-/Auswerteeinheit, wobei das Drucksensorelement ein Halbleitermaterial und eine Messmembran aufweist, wobei an einer ersten Seite der Messmembran ein erster Druck und an einer zweiten Seite der Messmembran ein zweiter Druck angelegt ist, sodass die Messmembran eine druckabhängige Auslenkung erfährt, wobei die Messmembran zumindest ein integriertes Widerstandselement aufweist und die Regel-/Auswerteeinheit mit Hilfe des integrierten Widerstandselements ein elektrisches Signal zur Druckmessgrößenbestimmung ermittelt, wobei durch das Leuchtmittel eine optische Anregung des Drucksensorelementes erfolgt und die Regel-/Auswerteeinheit anhand einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals einen dem ersten und/oder zweiten Druck inhärenten statischen Druckwert ermittelt und eine Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße mit Hilfe des statischen Druckwertes durchführt.
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Erfindungsgemäß wird der als Photoleitung bezeichnete Effekt dazu ausgenutzt, eine Information über einen statischen Druck zu erhalten. Der statische Druck ist einem zumindest an einer der beiden Seiten der Messmembran anliegenden Mediendruck inhärent.
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Allgemein wird unter Photoleitung ein dem inneren photoelektrischen Effekt zugeordneter Effekt, bei dem die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitermaterialien aufgrund der Bildung von ungebundenen Elektron-Loch-Paaren bei Bestrahlung erfolgt, verstanden. Aufgrund der Bestrahlung des Drucksensorelements, welches zumindest ein Halbleitermaterial und eine Messmembran umfasst, wird ein elektrisches Signal, bspw. ein Brückenspannungssignal, verändert. Anhand dieser Änderung kann somit der statische Druckwert ermittelt werden. Mit Hilfe dieses statischen Druckwertes wird ein durch den Drucksensor ermittelte Druckmessgröße korrigiert bzw. kompensiert.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die optische Anregung mehrere optische Einzelimpulse umfasst. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die Messmembran weitere integrierte Widerstandselemente aufweist und jeweils ein Leuchtmittel für jedes weitere Widerstandselement vorgesehen ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass das Leuchtmittel eine Leuchtdiode ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drucksensors sieht vor, dass die optische Anregung zyklisch erfolgt und wobei während zweier Zyklen die Regel-/Auswerteeinheit den zuletzt ermittelten statischen Druckwert zur Korrektur bzw. Kompensation verwendet.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors, welcher insbesondere nach einem der vorhergehenden Ausgestaltungen ausgebildet ist, gelöst, wobei der Drucksensor ein Drucksensorelement umfasst, welches ein Halbleitermaterial und eine Messmembran an die an einer ersten Seite ein erster Druck und an einer zweiten Seite ein zweiter Druck angelegt ist aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Optische Anregung des Drucksensorelementes;
Erfassen einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung eines elektrischen Signals;
Ermitteln eines statischen Druckwerts aufgrund der Änderung des elektrischen Signals;
Korrektur bzw. Kompensation einer durch den Drucksensor ermittelten Druckmessgröße anhand des statischen Druckwerts.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur optischen Anregung mehrere optische Einzelimpulse verwendet werden und zur Erfassung der Änderung des elektrischen Signals mehrere elektrische Einzelsignalwerte erfasst werden. Insbesondere sieht die Ausführungsform vor, dass die Änderung des elektrischen Signals durch eine Mittelwertbildung der erfassten mehreren elektrischen Einzelsignalwerte ermittelt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die optische Anregung zyklisch während des Messbetriebes durchgeführt wird.
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Eine letzte vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Korrektur bzw. Kompensation über eine Look-up Tabelle und/oder eine mathematische Gleichung durchgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors,
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2: ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Drucksensors,
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3: einen Versuchsaufbau der zur Untersuchung des Effekts diente,
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4: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte erste Messkurve bzw. Messkurven,
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5: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte zweite Messkurve bzw. Messkurven,
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6(a): eine Verstärkerschaltung einer Photodiode,
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6(b): ein Ausgangssignal der Verstärkerschaltung,
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7: eine anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelte dritte Messkurve bzw. Messkurven,
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8: eine beispielhafte Korrekturfunktion, die zur Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße eines Drucksensors verwendbar ist, und
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9: eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors 1. Dieser umfasst ein Gehäuse 2, ein in dem Gehäuse 2 angeordnetes Drucksensorelement 3 und ein ebenfalls in dem Gehäuse angeordnetes Leuchtmittel 4.
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Das in das Gehäuse 2 eingebrachte Drucksensorelement 3 weist ein Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, auf. In das Drucksensorelement 3 ist eine Messmembran 5, bspw. durch einen Ätzprozess, eingebracht. Zur Bestimmung einer Druckmessgröße wird, bspw. wenn der Drucksensor 1 als Relativdrucksensor ausgebildet ist, der Messmembran 5 an einer ersten Seite ein erster Druck p1, bspw. ein Atmosphärendruck, und an einer zweiten Seite ein zweiter Druck p2, bspw. ein zu messender Mediendruck, dem ein statischer Druck inhärent ist, zugeführt.
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Zur Erfassung einer durch Anlegen der Drücke p1 und p2 erzeugten druckabhängigen Auslenkung umfasst die Messmembran wiederum vier Widerstandselemente 6, die bspw. durch Dotieren des Halbleitermaterials erzeugt werden. Die auf diese Weise in die Messmembran 5 integrierten Widerstandselemente 6 sind typischerweise im Randbereich der Messmembran 5 angeordnet, um die druckabhängige Auslenkung der Messmembran 5 in Form einer Widerstandsänderung zu erfassen. Basierend auf den Widerstandsänderungen der Widerstandselemente 6 kann der Drucksensor 1 eine Druckmessgröße ermitteln bzw. ausgeben.
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1 zeigt somit einen Relativdrucksensor. Die Erfindung ist jedoch im gleichen Maße auch auf einen Absolutdruck- oder Differenzdrucksensor übertragbar.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Drucksensors 1, welcher neben dem Leuchtmittel 4 mit entsprechender Leuchtmittelansteuereinheit 7, den Widerstandselementen 6 zusätzlich eine Regel-/Auswerteeinheit 8 umfasst. Die Widerstandselemente 6 sind zu einer Wheatstone-Brücke 9 verschaltet und die Regel-/Auswerteeinheit 8 dient typischerweise zur Erfassung eines die Widerstandswerte repräsentierenden elektrischen Signals 10, bspw. dem Brückenspannungssignal UB. Anhand des erfassten elektrischen Signals 10, in dem dargestellten Fall der Brückenspannung UB, ermittelt die Regel-/Auswerteeinheit 8 eine Druckmessgröße.
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3 zeigt einen Versuchsaufbau der zur Untersuchung des Effekts diente. Der Versuchsaufbau umfasst eine erste Baugruppe 11 und eine zweite Baugruppe 12, die über einen hydraulischen Kammerverbund 13 miteinander verbunden sind. Die erste Baugruppe 11 weist eine Leuchtdiode 4 (kurz: LED) auf einem Transistor Outline Träger des Typs 8 (kurz: TO-8) und die zweite Baugruppe ein Drucksensorelement, welches sich ebenfalls auf einem TO-8 Träger befindet auf. Der hydraulische Kammerverbund 13 weist einen Einfüllstutzen 14 zum Befüllen des hydraulischen Kammerverbundes 13 mit einer Druckmittlerflüssigkeit bzw. einem Silikonöl auf.
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Das Drucksensorelement ist elektrisch mit einer Sensorelektronik, die insbesondere eine Regel-/Auswerteeinheit umfasst, verbunden. Über die Sensorelektronik wird das elektrische Signal, welches sich aufgrund der Widerstandsänderung der Widerstandselemente 6 der Wheatstone-Brücke 9 ergibt, in eine Druckmessgröße überführt.
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4 zeigt eine Vielzahl von anhand des zuvor beschriebenen Versuchsaufbaus experimentell ermittelten ersten Messkurven. Hierzu wurde sowohl die LED als auch das Drucksensorelement über den hydraulischen Kammerverbund gleichzeitig mit dem statischen Druck beaufschlagt. Zusätzlich wurde das Drucksensorelement durch die LED optisch angeregt.
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Konkret wurde ein Relativdrucksensor bei unterschiedlichen statischen Drücken (p = 0–40 bar) und unterschiedlichen Temperaturen (T = –20°C–70°C) betrieben. Die optische Anregung erfolgte durch eine Vielzahl von optischen Einzelimpulsen bei den entsprechenden Drücken und Temperaturen. Erfasst wurde die Änderung bzw. Abweichung des elektrischen Signals über eine Mittelwertbildung der erfassten mehreren Einzelsignalwerte, wobei die Änderung bzw. Abweichung die Differenz des elektrischen Signals mit optischer Anregung und dem elektrischen Signal ohne optische Anregung darstellt.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, zeigte das Drucksensorelement sowohl eine druckabhängige als auch eine temperaturabhängige Änderung des elektrischen Signals in Form der Brückenspannung, sodass eine Ermittlung eines statischen Druckwertes zur Korrektur bzw. Kompensation der Druckmessgröße durch Ausnutzung des photoelektrischen Effekts prinzipiell möglich erscheint.
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5 zeigt eine Vielzahl von anhand des zuvor beschriebenen Versuchsaufbaus experimentell ermittelten zweiten Messkurven. Hierfür wurde in dem beschriebenen Versuchsaufbau das Drucksensorelement durch eine Photodiode als Empfänger ersetzt und sowohl die LED als auch die Photodiode wurden dem statischen Druck ausgesetzt, wobei der hydraulische Kammerverbund nicht mit der Druckmittlerflüssigkeit befüllt war. Die Linearitätsabweichungen sind darauf zurückzuführen, dass sich der Effekt sowohl an der Photodiode als auch an der LED überlagert. Zur Auswertung der Photodiode wurde die in 6(a) dargestellte Verstärkerschaltung verwendet, die einen Photonenstrom von 0 bis 15 µA auf ein Ausgangssignal von 0 bis 15 V abbildet. Exemplarisch ist in 6(b) ein solches Ausgangssignal abgebildet.
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7 zeigt eine Vielzahl von anhand des Versuchsaufbaus experimentell ermittelten dritten Messkurven. Hierfür wurde in dem beschriebenen Versuchsaufbau wiederum das Drucksensorelement durch eine Photodiode als Empfänger ersetzt und sowohl die LED als auch die Photodiode wurden dem statischen Druck ausgesetzt, wobei der hydraulische Kammerverbund einmal mit der Druckmittlerflüssigkeit befüllt und einmal unbefüllt war. Aus 7 wird ersichtlich, dass sich ein temperaturabhängiger Absorptionskoeffizient des Druckmittler ergibt, welcher bei der Korrektur bzw. Kompensation ebenfalls zu beachten ist.
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Aus den ersten bis dritten Messkurven ergibt sich, dass der photoelektrische Effekt auch zur Abschätzung des statischen Druckes in einem Drucksensor verwendet werden kann, sodass mit Hilfe eines mathematischen Modells der Messfehler eines Drucksensors reduziert werden kann. Hierzu kann bspw. eine Korrekturfunktion, wie sie in 8 exemplarisch dargestellt ist, verwendet werden.
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Zur Korrektur bzw. Kompensation ist die Regel-/Auswerteeinheit 8 dazu ausgelegt, das in 9 schematisch dargestellte und nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren gemäß folgender Verfahrensschritte auszuführen:
- – Optische Anregung des Drucksensorelementes 100 durch zumindest ein Leuchtmittel, bspw. in Form einer Leuchtdiode ist. Die optische Anregung kann dabei durch ein einziges oder selektiv über mehrere Leuchtmittel, vorzugsweise jeweils ein Leuchtmittel für ein Widerstandselement, erfolgen. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Leuchtmittel gepulst wird, d.h. die jeweilige optische Anregung erfolgt durch eine Vielzahl an optischen Einzelimpulsen, welche unmittelbar aufeinander folgen. Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die optische Anregung zyklisch während des Messbetriebes durchgeführt wird.
- – Erfassung einer aufgrund der optischen Anregung hervorgerufenen Änderung des elektrischen Signals 101, wobei in dem Fall, dass jeweils ein Leuchtmittel 4 für ein Widerstandselement 6 und somit eine selektive optische Anregung der Widerstandselemente 6 erfolgt, wird vorzugsweise jeweils ein elektrisches Signal 10 von jedem der Widerstandselemente 6 erfasst.
In dem Fall, das die optische Anregung durch mehrere Einzelimpulse erzeugt wird, ist es vorteilhaft die Änderung des elektrischen Signals durch eine Mittelwertbildung der erfassten Einzelsignalwerte zu bestimmen.
- – Ermitteln eines statischen Druckwerts aufgrund der Änderung des elektrischen Signals (102).
- – Korrektur bzw. Kompensation einer durch den Drucksensor ermittelten Druckmessgröße anhand des statischen Druckwerts (103).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucksensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drucksensorelement
- 4
- Leuchtmittel
- 5
- Messmembran
- 6
- Widerstandselement
- 7
- Leuchtmittelansteuereinheit
- 8
- Regel-/Auswerteeinheit
- 9
- Wheatstone-Brücke
- 10
- Elektrisches Signal
- 11
- Erste Baugruppe
- 12
- Zweite Baugruppe
- 13
- Hydraulischen Kammerverbund
- 14
- Einfüllstutzen
- 15
- TO-8 Gehäuse
- 16
- Sensorelektronik
- 17
- Photodiode
- p1
- Erster Druck
- p2
- Zweiter Druck
- UB
- Brückenspannung
