DE102018118646B3 - Method for monitoring the function of a pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle (10) eines kapazitiven Drucksensors (1), wobei die Druckmesszelle (10) einen druckabhängigen Messkondensator (CM) und einen druckabhängigen Referenzkondensator (CR) aufweist und der Druckmesswert (p) als Messsignal aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (CM) und des Referenzkondensators (CR) gewonnen wird, wobei das Messsignal einer Auswerteeinheit in Form eines alternierenden Rechtecksignals UR zugeführt wird und dabei dessen Pulshöhe vom Quotienten der Kapazitätswerte von Referenzkondensator (CR) und Messkondensator (CM) abhängt, wobei pro Periode des Rechtecksignals UR während zumindest einer Pulsbreite wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher (40) abgelegt werden, und wobei die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite betragsmäßig miteinander verglichen werden und bei einer signifikanten Abweichung zueinander ein Fehlersignal generiert wird. The invention relates to a method for monitoring the operation of a pressure measuring cell (10) of a capacitive pressure sensor (1), wherein the pressure measuring cell (10) has a pressure-dependent measuring capacitor (C M ) and a pressure-dependent reference capacitor (C R ) and the pressure measured value (p) as the measuring signal the capacitance values of the measuring capacitor (C M ) and the reference capacitor (C R ) is obtained, wherein the measuring signal is supplied to an evaluation unit in the form of an alternating square wave U R and its pulse height from the quotient of the capacitance values of reference capacitor (C R ) and measuring capacitor (C M ), wherein the pulse height is measured at least twice per period of the square wave signal U R during at least one pulse width and the measured voltage values are stored in a memory (40), and wherein the at least two voltage values per pulse width are compared with each other in magnitude and at a significant Deviation to one another an error signal is generated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors.The invention relates to a method for monitoring the function of a pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor.
Kapazitive Drucksensoren bzw. Druckmessgeräte werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und eine Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.Capacitive pressure sensors or pressure gauges are used in many industrial areas for pressure measurement. They often have a ceramic pressure measuring cell, as a transducer for the process pressure, and an evaluation for signal processing.
Kapazitive Druckmesszellen 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. Dieser Hohlraum wird daher auch als Messkammer bezeichnet. 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.Capacitive pressure measuring cells consist of a ceramic base body and a membrane, wherein a glass solder ring is arranged between the base body and the membrane. The resulting cavity between the body and membrane allows the longitudinal mobility of the membrane due to a pressure influence. This cavity is therefore also referred to as a measuring chamber. On the underside of the membrane and on the opposite upper side of the main body electrodes are provided, which together form a measuring capacitor. Pressure causes a deformation of the membrane, which results in a capacitance change of the measuring capacitor.
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.With the aid of an evaluation unit, the capacitance change is detected and converted into a pressure measurement value. Typically, these pressure sensors are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLC).
Aus der
Aus der
Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus:
Die Zuverlässigkeit bei kapazitiven Drucksensoren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Problematisch können Kriechströme auf der - dem zu messenden Medium abgewandten - Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswerteelektronik sein, die zu einer Signaldrift führen. Ursache für diese Kriechströme kann bspw. eine kondensierende Luftfeuchtigkeit im Inneren des Messgeräts sein.The reliability of capacitive pressure sensors is becoming increasingly important. Creep currents can be problematic on the measuring cell rear side facing away from the medium to be measured or in parts of the evaluation electronics which lead to signal drift. Cause of these leakage currents may be, for example, a condensing air humidity inside the meter.
Als Stand der Technik bzgl. einer Funktionsüberwachung von kapazitiven Drucksensoren wird die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors vorzuschlagen, durch das ein Fehlereinfluss auf das Messergebnis aufgrund von insbesondere feuchtigkeitsbedingten Kriechströmen ermöglicht wird.The object of the invention is to propose a method for monitoring the function of a pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor, by means of which a fault influence on the measurement result due to, in particular, moisture-induced leakage currents is made possible.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Unteranspruch 2 angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1.An advantageous embodiment of the invention is specified in
Kern der Erfindung ist die Erkenntnis, dass Feuchtigkeit auf der dem zu messenden Medium abgewandten Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswerteelektronik und die daraus resultierenden Kriechströme eine Veränderung des in Form eines alternierenden Rechtecksignals vorliegenden Messsignals nach sich zieht. Anstatt gleichmäßiger Rechteckimpulse mit einer während der Pulsbreite konstanten Amplitude bzw. Pulshöhe ist bei dem fehlerbehafteten Messsignal die Amplitude bzw. Pulshöhe nicht mehr konstant, sondern ist während der Pulsdauer ansteigend oder abfallend.The core of the invention is the recognition that moisture on the measuring cell rear side facing away from the medium to be measured or in parts of the evaluation electronics and the resulting creeping currents entails a change of the measuring signal present in the form of an alternating square wave signal. Instead of uniform rectangular pulses with a constant amplitude or pulse height during the pulse width, the amplitude or pulse height is no longer constant in the faulty measuring signal, but is increasing or decreasing during the pulse duration.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Erkennung derartiger fehlerbehafteten Messsignale vor, dass pro Periode des Rechtecksignals während zumindest einer Pulsbreite, d.h. entweder eines positiven oder während eines negativen Impulses oder während beiden Impulsen, wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher abgelegt werden. Schließlich werden die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite bspw. durch Differenzbildung betragsmäßig miteinander verglichen und bei einer signifikanten Abweichung zueinander wird ein Fehlersignal generiert.The inventive method provides for detecting such erroneous measurement signals that at least twice the pulse height is measured per period of the square wave signal during at least one pulse width, ie either a positive or during a negative pulse or during both pulses, and the measured Voltage values are stored in a memory. Finally, the at least two voltage values per pulse width, for example, are compared with each other in absolute value by subtraction, and an error signal is generated in the event of a significant deviation from one another.
Somit ist es möglich, mit der vorhandenen Auswerteschaltung und damit ohne zusätzliche Bauteile durch eine geschickte Signalauswertung eine Funktionsüberwachung der Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors durchzuführen und durch Kriechströme hervorgerufene resistive Fehlereinflüsse schnell und frühzeitig zu erkennen.Thus, it is possible to carry out a functional monitoring of the pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor with the existing evaluation circuit and thus without additional components by a clever signal evaluation and to detect resistive fault influences caused by leakage currents quickly and early.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:
-
1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Druckmessgeräts, -
2 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Druckmesszelle, -
3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß2 , -
4 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Messsignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Messsignals und -
5 die Auswerteschaltung aus3 , ergänzt um einen Mikrocontroller zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a block diagram of a capacitive pressure gauge, -
2 a schematic sectional view of a capacitive pressure measuring cell, -
3 a known evaluation circuit for a capacitive pressure cell according to2 . -
4 a comparison of an error-free measurement signal and a measurement signal influenced by leakage currents and -
5 the evaluation circuit3 , supplemented by a microcontroller for carrying out the method according to the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
In
Sowohl auf dem Grundkörper
Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran
Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden.
In
Der Ausgang
Der Differenzierzweig
Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker
Aus
Über eine Sample&Hold-Schaltung S&H werden die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals betragsmäßig addiert, der Betrag A als Messspannung
Die positive Betriebsspannung V+ liegt typischerweise bei +2,5 V und die negative Betriebsspannung V- bei -2,5 V.The positive operating voltage V + is typically +2.5 V and the negative operating voltage V- is -2.5 V.
In
Die dargestellte Situation stellt sich bspw. dadurch ein, dass bei Feuchtigkeit auf der dem zu messenden Medium abgewandten Messzellen-Rückseite der niederohmig getriebene COM-Anschluss (vgl.
Das Ausgangssignal des Schwellwert-Komparators
Des Weiteren umfasst der Mikrocontroller µC einen Speicher
Dem Speicher
In der CPU
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Druckmessgerätpressure monitor
- 1010
- DruckmesszellePressure measuring cell
- 1212
- Grundkörperbody
- 1414
- Membranmembrane
- 1616
- Glaslotringglass solder
- 1818
- Entlüftungskanalvent channel
- 1919
- Hohlraumcavity
- 2020
- Auswerteelektronikevaluation
- 3030
- Auswerteschaltungevaluation
- 4040
- SpeicherStorage
- 5050
- Verarbeitungseinheit, CPUProcessing unit, CPU
- 6060
- Timertimer
- CM C M
- Messkondensatormeasuring capacitor
- CR C R
- Referenzkondensatorreference capacitor
- MM
- Mittelelektrodecenter electrode
- RR
- Ringelektrodering electrode
- MEME
- Membranelektrodemembrane electrode
- IZIZ
- IntegrierzweigIntegrierzweig
- DZDZ
- DifferenzierzweigDifferentiating branch
- SGSG
- Schwellwert-KomparatorThreshold comparator
- RGRG
- Rechteckgeneratorsquare wave generator
Claims (2)
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