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.

Figure DE102018118646B3_0000
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.
Figure DE102018118646B3_0000

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 DE 198 51 506 C1 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei dem der Druckmesswert aus dem Quotienten 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 kapazitive Druckmesszellen geeignet. Das Besondere an diesem Druckmessgerät ist, dass für die Auswertung des Messsignals am Ausgang, als Maß für den erfassten Druckmesswert, lediglich die Amplitude des Rechtecksignals relevant ist, unabhängig von dessen Frequenz.From the DE 198 51 506 C1 a capacitive pressure sensor is known in which the pressure measured value is determined from the quotient of two capacitance values, a measuring capacitor and a reference capacitor. Although a pressure measuring cell is not specifically described in this specification, the circuit shown and the method described is suitable for capacitive pressure measuring cells. The special feature of this pressure gauge is that only the amplitude of the square wave signal is relevant for the evaluation of the measuring signal at the output, as a measure of the detected pressure measured value, regardless of its frequency.

Aus der EP 0 569 573 B1 ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls ein Quotientenverfahren zur Druckauswertung eingesetzt wird.From the EP 0 569 573 B1 a circuit arrangement for a capacitive pressure sensor is known, in which also a quotient method for pressure evaluation is used.

Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus: p C R C M  bzw p C R C M 1  oder  p C M C R C M + C R ,

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wobei CM die Kapazität des Messkondensators, CR die Kapazität des Referenzkondensators und p den zu bestimmenden Prozessdruck bezeichnet. Denkbar ist auch die Möglichkeit, CM und CR im Quotienten zu vertauschen. Das angegeben Beispiel mit CM im Nenner stellt allerdings zugunsten der Eigenlinearisierung die gebräuchlichste Form dar. Im Folgenden wird daher von dieser Ausführungsform ausgegangen, sofern nicht anders angegeben.Quotient methods usually assume the following pressure dependencies: p ~ C R C M respectively , p ~ C R C M - 1 or p ~ C M - C R C M + C R .
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in which C M the capacitance of the measuring capacitor, C R the capacitance of the reference capacitor and p denotes the process pressure to be determined. It is also possible to C M and C R to exchange in the quotient. The given example with C M however, in the denominator, the most common form is in favor of the self-linearization. Therefore, this embodiment is based on this embodiment, unless stated otherwise.

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 DE 103 33 154 A1 und die DE 10 2014 201 529 A1 genannt.As state of the art with respect to a function monitoring of capacitive pressure sensors, the DE 103 33 154 A1 and the DE 10 2014 201 529 A1 called.

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 dependent claim 2.

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 gemäß 2,
  • 4 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Messsignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Messsignals und
  • 5 die Auswerteschaltung aus 3, ergänzt um einen Mikrocontroller zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
They show schematically:
  • 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 to 2 .
  • 4 a comparison of an error-free measurement signal and a measurement signal influenced by leakage currents and
  • 5 the evaluation circuit 3 , 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 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Druckmessgeräts 1 dargestellt, der zur Messung eines Prozessdrucks p (z. B. von Öl, Milch, Wasser etc.) eingesetzt wird. Das Druckmessgerät 1 ist als Zwei-Leiter-Gerät ausgeführt und 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 das Druckmessgerät 1 an eine Spannungsversorgungsleitung (12 - 36 V) angeschlossen.In 1 is a block diagram of a typical capacitive pressure gauge 1 shown, which is used to measure a process pressure p (eg of oil, milk, water, etc.). The pressure gauge 1 is designed as a two-wire device and consists essentially of a pressure measuring cell 10 and an evaluation 20 , The evaluation electronics 20 has an analog evaluation circuit 30 and a microcontroller μC in which the analog output signal of the evaluation circuit 20 digitized and processed. The microcontroller μC provides the evaluation result as a digital or analog output signal z. B. a PLC available. For power supply is the pressure gauge 1 connected to a power supply line (12 - 36 V).

2 zeigt eine typische kapazitive Druckmesszelle 10, wie sie vielfältig bei kapazitiven Druckmessgeräten 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. 2 shows a typical capacitive pressure cell 10 , as it is widely used in capacitive pressure gauges, in a schematic representation. The pressure measuring cell 10 consists essentially of a basic body 12 and a membrane 14 over a glass solder ring 16 connected to each other. The main body 12 and the membrane 14 limit a cavity 19 , which - preferably only at low pressure ranges up to 50 bar - via a vent channel 18 with the back of the pressure cell 10 connected is.

Sowohl auf dem Grundkörper 12 als auch auf der Membran 14 sind mehrere Elektroden vorgesehen, die einen Referenzkondensator CR und einen Messkondensator CM bilden. Der Messkondensator CM wird durch die Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator CR durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.Both on the body 12 as well as on the membrane 14 several electrodes are provided, which are a reference capacitor C R and a measuring capacitor C M form. The measuring capacitor C M is through the membrane electrode ME and the center electrode M formed, the reference capacitor C R through the ring electrode R and the membrane electrode 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 CM . Der Einfluss auf den Referenzkondensator CR ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.The process pressure p acts on the membrane 14 , which bends more or less in accordance with the pressurization, wherein substantially the distance of the membrane electrode ME to the center electrode M changes. This leads to a corresponding capacitance change of the measuring capacitor C M , The influence on the reference capacitor C R is lower, as is the distance between ring electrode R and membrane electrode ME less changed than the distance between the membrane electrode ME to the center electrode M ,

Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. CM und CR bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.In the following, no distinction is made between the designation of the capacitor and its capacitance value. C M and C R Therefore, both denote the measuring or reference capacitor per se, as well as its respective capacity.

In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator CM ist zusammen mit einem Widerstand R1 in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator CR zusammen mit einem Widerstand R2 in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung UE0 an, die vorzugsweise symmetrisch um 0 Volt alterniert. Die Eingangsspannung UE0 wird über den Widerstand R1 und den Messkondensator CM 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.In 3 is a known evaluation circuit 30 for the pressure measuring cell 10 shown in more detail. The measuring capacitor C M is together with a resistance R 1 in an integrating branch IZ and the reference capacitor C R together with a resistance R 2 in a differentiation branch DZ arranged. At the input of the integrating branch IZ is a square-wave voltage U E0 which preferably alternates symmetrically by 0 volts. The input voltage U E0 is about the resistance R 1 and the measuring capacitor C M using an operational amplifier OP1 , which works as an integrator, converted into a linearly rising or falling voltage signal (depending on the polarity of the input voltage), that at the output COM of the integration branch IZ is issued. The measuring point P1 lies through the operational amplifier OP1 virtually on earth.

Der Ausgang COM ist mit einem Schwellwert-Komparator 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 RG seine Ausgangsspannung jeweils invertiert.The exit COM is with a threshold comparator SG connected, which is a square wave generator RG controls. As soon as the voltage signal at the output COM exceeds or falls below a threshold value, the comparator changes SG be Output signal, whereupon the square wave generator RG its output voltage inverted in each case.

Der Differenzierzweig DZ besteht weiter aus einem Operationsverstärker 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 UMess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.The differentiation branch DZ consists of an operational amplifier OP2 , a voltage divider with the two resistors R 5 and R 6 and a feedback resistor R 7 , The output of the operational amplifier OP2 is connected to a S & H sample-and-hold circuit. At the output of the sample-and-hold circuit S & H is the measurement voltage U Mess indicating the process pressure p which is on the pressure measuring cell 10 acts, is won.

Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker OP1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand R1 und dem Messkondensator CM virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom I1 , über den Widerstand R1 , der den Messkondensator CM solange auflädt, bis die Rechteckspannung UE0 ihr Vorzeichen wechselt.The function of this measuring circuit is explained in more detail below. The operational amplifier OP1 ensures that the connection point P1 between the resistance R 1 and the measuring capacitor C M held virtually to ground. As a result, a constant current flows I 1 , about the resistance R 1 , the measuring capacitor C M as long as it charges until the square-wave voltage U E0 their sign changes.

Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R1= R2 und CM = CR der Messpunkt P2 im Differenzierzweig DZ sogar dann auf dem gleichen Potenzial wie der Messpunkt P1, also auf Masseniveau, liegt, wenn die Verbindung zwischen dem Messpunkt P2 und dem Operationsverstärker OP2 nicht vorhanden wäre. Dies gilt nicht nur in diesem speziellen Fall, sondern immer dann, wenn die Zeitkonstanten R1 * CM und R2 * CR zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände R1 bzw. R2 entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators CM durch Druckeinwirkung ändert, ist die Bedingung der Gleichheit der Zeitkonstanten im Integrierzweig IZ und im Differenzierzweig DZ nicht mehr gegeben und das Potenzial am Messpunkt P2 würde vom Wert Null abweichen. Dieser Änderung wird aber unmittelbar von dem Operationsverstärker OP2 entgegengewirkt, da der Operationsverstärker OP2 den Verbindungspunkt P2 weiterhin virtuell auf Masse hält. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP2 liegt deshalb eine Rechteckspannung UR an, deren Amplitude vom Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ CR/CM - 1 ist, wobei die Abhängigkeit im Wesentlichen linear ist. Die Amplitude lässt sich über den Spannungsteiler, der durch die beiden Widerstände R5 und R6 gebildet wird, einstellen.Out 3 It can be seen that for the case R 1 = R 2 and C M = C R the measuring point P2 in differentiation branch DZ even then at the same potential as the measuring point P1 , that is at a mass level, lies when the connection between the measuring point P2 and the operational amplifier OP2 would not exist. This is true not only in this particular case, but whenever the time constants R 1 * C M and R 2 * C R are equal to each other. At zero point adjustment, this state is via the variable resistors R 1 respectively. R 2 adjusted accordingly. If the capacitance of the measuring capacitor C M changes by pressure, the condition of the equality of the time constant in Integrierzweig IZ and in the differentiation branch DZ no longer given and the potential at the measuring point P2 would deviate from the value zero. This change, however, is made directly by the operational amplifier OP2 counteracted, since the operational amplifier OP2 the connection point P2 continues to hold virtual ground. At the output of the operational amplifier OP2 is therefore a square wave U R whose amplitude depends on the quotient of the two time constants. It can easily be shown that the amplitude is directly proportional to the process pressure p ~ C R / C M -1, the dependence being essentially linear. The amplitude can be controlled by the voltage divider, which is controlled by the two resistors R 5 and R 6 is set.

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 UMess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller µC (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Amplitude der Eingangsspannung UE0 , die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der Messspannung UMess 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 VREF verbunden und vorteilhafterweise abgleichbar.By means of a sample and hold circuit S & H, the positive and negative amplitudes A + and A- of the square-wave signal are added together, the amount A being the measuring voltage U Mess at the output of the operational amplifier OP3 output and forwarded to microcontroller μC (not shown). It could also be output directly as an analog value. The amplitude of the input voltage U E0 at the output of the square wave generator RG is applied, depending on the measuring voltage U Mess adjusted for better linearity. For this purpose, a voltage divider consisting of the resistors R 20 and R 10 intended. This voltage divider is connected to a reference voltage VREF and advantageously adjustable.

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 4 sind idealisiert ein fehlerfreies Messsignal (oben) und ein durch Kriechströme beeinflusstes Messsignal (unten) gegenübergestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass das fehlerbehaftete Signal keine konstante Amplitude bzw. Pulshöhe mehr aufweist, sondern während eines positiven Impulses ansteigend und während eines negativen Impulses abfallend verläuft. Zur Erkennung dieser Situation wird erfindungsgemäß die Pulshöhe des Messsignals UR pro Periode während zumindest einer Pulsbreitendauer, d.h. entweder eines positiven oder während eines negativen Impulses oder während beiden Impulsen, wenigstens zweimal gemessen und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher abgelegt. Durch einen betragsmäßigen Vergleich der wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite, bspw. durch eine Differenzbildung, kann ein derartiger Signalverlauf, wie er im unteren Diagramm dargestellt ist, erkannt und der Anwender darauf hingewiesen werden, dass ein entsprechender Fehlereinfluss vorliegt, so dass die gemessenen Druckwerte möglicherweise driftbehaftet sind.In 4 Ideally, they are compared with an error-free measuring signal (top) and a measuring signal (below) influenced by leakage currents. It can be clearly seen that the error-prone signal no longer has a constant amplitude or pulse height, but rises during a positive pulse and decreases during a negative pulse. To detect this situation, according to the invention, the pulse height of the measurement signal U R per period during at least one pulse width duration, ie either a positive or during a negative pulse or during both pulses, measured at least twice and stored the measured voltage values in a memory. By a magnitude comparison of the at least two voltage values per pulse width, for example by a subtraction, such a waveform, as shown in the lower diagram, can be detected and the user can be made aware that a corresponding error influence exists, so that the measured pressure values possibly are drifting.

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. 3 und 5) den Kriechstrom absondert und die beiden hochohmig auf Null liegenden CM - und CR -Anschlüsse den Kriechstrom aufnehmen. Je nachdem, wohin sich eine stromfließfähigere Strecke ausgebildet hat, erfährt der Messkondensator CM oder der Referenzkondensator CR die größere Kriechstrombeeinflussung. Der Signalverlauf in 4 bildet die Situation ab, dass der Messkondensator CM die größere Beeinflussung erfährt. Sollte der Referenzkondensator CR die größere Beeinflussung erfahren, würde sich während des Pulses statt eines ansteigenden ein abfallender Signalverlauf und statt eines abfallenden ein ansteigender Signalverlauf ergeben.The illustrated situation arises, for example, in that, in the case of moisture on the measuring cell rear side remote from the medium to be measured, the low-impedance driven COM connection (cf. 3 and 5 ) separates the leakage current and the two high-impedance zero C M - and C R Connect the leakage current. Depending on where a flowable line has formed, the measuring capacitor experiences C M or the reference capacitor C R the larger leakage current effect. The waveform in 4 depicts the situation that the measuring capacitor C M experiences the greater influence. Should the reference capacitor C R experience the greater influence, would result during the pulse instead of a rising a falling waveform and instead of a falling a rising waveform.

5 zeigt im Grundsatz die aus 3 bekannte Auswerteschaltung, welche jedoch um einen Mikrocontroller µC ergänzt ist. In diesen Mikrocontroller µC ist zum einen der Komparator-Oszillator SG aus 3 integriert und zum anderen enthält er die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Einheiten: einen Timer 60, einen Speicher 40 und eine CPU 50 als Verarbeitungseinheit. Die sich außerhalb des Mikrocontrollers µC befindlichen Elemente sind im Wesentlichen identisch und deshalb auch identisch bezeichnet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird im Folgenden nur auf die für die Erfindung wesentlichen Elemente eingegangen. 5 basically shows that 3 known evaluation circuit, which, however, is supplemented by a microcontroller μC. In this microcontroller μC is on the one hand, the comparator oscillator SG out 3 integrated and on the other hand it contains the necessary for carrying out the method according to the invention units: a timer 60 , a store 40 and a CPU 50 as a processing unit. The elements located outside the microcontroller μC are essentially identical and therefore also identically designated. To avoid repetition, only the elements essential to the invention will be discussed below.

Das Ausgangssignal des Schwellwert-Komparators SG wird zum einen wieder zurückgeführt, um den Rechteckgenerator RG anzusteuern, was bereits aus 3 bekannt ist. Zum anderen wird dieses Signal dem Timer 60 zugeführt. In dem Timer 60 wird das zeitliche Periodenverhalten des Dreiecksignals protokolliert, insbesondere hinsichtlich des Erreichens der gesetzten Schwellwerte. Daraus wird die Periodendauer abgleitet, welche der CPU 50 zugeführt wird. Die Periodendauer dieses Dreiecksignals ist im vorliegenden Fall identisch mit dem des eigentlichen Messsignals UR , so dass die Erfassung der Periodendauer auf diese Weise besonders vorteilhaft ist.The output of the threshold comparator SG is returned to the one hand back to the square wave generator RG to control what is already off 3 is known. On the other hand, this signal is the timer 60 fed. In the timer 60 the temporal period behavior of the triangular signal is recorded, in particular with regard to the achievement of the set threshold values. From this, the period duration is derived, which the CPU 50 is supplied. The period of this triangular signal is identical in this case with that of the actual measurement signal U R , so that the detection of the period in this way is particularly advantageous.

Des Weiteren umfasst der Mikrocontroller µC einen Speicher 40, welchem zunächst der aktuell gemessene Druckwert px in Form des aus 3 bekannten Spannungssignals UR zugeführt wird. Parallel dazu, und aus Darstellungsgründen nicht weiter gezeigt, wird der Druckwert px auch an den Ausgang switch_out bzw. analog out des Mikrocontrollers µC gegeben, um die gemessenen Druckwerte als Schalt- oder Analogsignal auszugeben. Die aus 3 bekannte Sample&Hold-Schaltung S&H als Teil der dort gezeigten Auswerteschaltung ist dann ebenfalls in den Mikrocontroller µC integriert und dort funktional identisch nachgebildet.Furthermore, the microcontroller μC comprises a memory 40 , which first the currently measured pressure value p x in the form of the 3 known voltage signal U R is supplied. In parallel, and not shown for illustrative purposes, the pressure value p x also to the output switch_out or analog out of the microcontroller .mu.C given to output the measured pressure values as a switching or analog signal. From 3 known sample & hold circuit S & H as part of the evaluation circuit shown there is then also integrated into the microcontroller microcontroller and there functionally identical replicated.

Dem Speicher 40 wird des Weiteren ein Triggersignal zugeführt, welches die CPU 50 aus der Periodendauer generiert. Durch dieses Triggersignal wird genau definiert, zu welchem Zeitpunkt bzw. genauer gesagt zu welchen beiden Zeitpunkten während der Pulsdauer die Pulshöhe des Spannungssignals UR gespeichert werden soll. Diese Zeitpunkte sind vorteilhafterweise am Anfang und am Ende des positiven und/oder negativen Rechteckimpulses.The memory 40 Furthermore, a trigger signal is supplied to the CPU 50 generated from the period. By this trigger signal is precisely defined, at which time or more precisely at which two times during the pulse duration, the pulse height of the voltage signal U R should be saved. These times are advantageously at the beginning and at the end of the positive and / or negative square pulse.

In der CPU 50 werden die zwei während eines Rechteckimpulses erfassten Spannungswerte betragsmäßig miteinander verglichen und bei signifikanter Abweichung von einem vorgegebenen Toleranzband ein Fehlersignal generiert, welches am Ausgang diag_out ausgegeben wird.In the CPU 50 the two voltage values detected during a rectangular pulse are compared in terms of absolute value and, in the event of significant deviation from a predetermined tolerance band, an error signal is generated which is output at the output diag_out.

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)

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, dessen Pulshöhe vom Quotienten der Kapazitätswerte von Referenzkondensator (CR) und Messkondensator (CM) abhängt, wobei pro Periode des alternierenden Rechtecksignals UR während zumindest einer Pulsbreite eines positiven und/oder negativen Rechteckimpulses des alternierenden Rechtecksignals UR wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher (40) abgelegt werden, wobei die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite betragsmäßig miteinander verglichen werden und bei einer signifikanten Abweichung zueinander ein Fehlersignal generiert wird.Method for monitoring the function 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 measurement (p) as a measuring signal from the capacitance values of the measuring capacitor (C M ) and the reference capacitor (C R ) is obtained, wherein the measurement signal to an evaluation unit in the form of an alternating square wave signal U R is supplied, the pulse height of the quotient of the capacitance values of reference capacitor (C R ) and measuring capacitor (C M ) depends per period of the alternating square wave signal U R during at least one pulse width of a positive and / or negative rectangular pulse of alternating square wave signal U R is at least twice the pulse height is measured and the measured voltage values are stored in a memory (40), wherein the at least two voltage values per pulse width magnitude together be compared and an error signal is generated at a significant deviation from each other. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abspeicherung der Werte für die Pulshöhe und deren Vergleich in einem Mikrocontroller (µC) erfolgt.Method according to Claim 1 in which the values for the pulse height and their comparison are stored in a microcontroller (μC).
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