DE102018126382B3

DE102018126382B3 - Capacitive pressure sensor

Info

Publication number: DE102018126382B3
Application number: DE102018126382.1A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter; Florian Kirchmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2038-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Druckmesszelle (10) und einer Auswerteschaltung (30), wobei die Druckmesszelle (10) einen druckempfindlichen Messkondensator (C) und einen Referenzkondensator (C) aufweist und die Druckmesszelle (10) mit der Auswerteschaltung (30) verbunden ist, und wobei die Auswerteschaltung (30) einen ersten Operationsverstärker (OP1) aufweist, dessen niederohmiger Ausgang mit der gemeinsamen Elektrode (COM) verbunden ist.Um den kapazitiven Drucksensor mit einer einfachen und damit kostengünstig herstellbaren Grenzstandsüberwachung weiterzubilden, mit der darüber hinaus auch eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors möglich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) und der gemeinsamen Elektrode (COM) ein Shuntwiderstand (R) angeordnet ist, dessen Spannungsabfall ein Maß für den Ladestrom ist und mittels einer Verstärkereinheit (AWE) in ein alternierendes Spannungssignal Uumgewandelt wird, und dass eine Auswerteeinheit (AWE) vorgesehen ist, in der das alternierende Spannungssignal Uhinsichtlich zusätzlicher Außenströme ausgewertet wird.The invention relates to a capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell (10) and an evaluation circuit (30), the pressure measuring cell (10) having a pressure sensitive measuring capacitor (C) and a reference capacitor (C) and the pressure measuring cell (10) with the evaluation circuit (30). and the evaluation circuit (30) has a first operational amplifier (OP1), the low-impedance output of which is connected to the common electrode (COM). In order to further develop the capacitive pressure sensor with a simple and therefore inexpensive to produce point level monitoring, with which also Monitoring the functionality of the pressure sensor is possible, the invention provides that a shunt resistor (R) is arranged between the output of the first operational amplifier (OP1) and the common electrode (COM), the voltage drop of which is a measure of the charging current and by means of an amplifier unit (AWE) alternate into one of the voltage signal U is converted, and that an evaluation unit (AWE) is provided in which the alternating voltage signal U is evaluated with regard to additional external currents.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor mit einer Druckmesszelle zur Erfassung des Drucks eines Mediums in einem Behältnis und einer Auswerteschaltung zur Aufbereitung und Verarbeitung der von der Druckmesszelle übertragenen Messsignale.The invention relates to a capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell for detecting the pressure of a medium in a container and an evaluation circuit for processing and processing the measurement signals transmitted by the pressure measuring cell.

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 measuring devices are used in many industrial areas for pressure measurement. They often have a ceramic pressure measuring cell as a transducer for process pressure and evaluation electronics for signal processing.

Kapazitive Druckmesszellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran zumeist 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, a glass solder ring usually being arranged between the base body and the membrane. The resulting cavity between the base body and the membrane enables the longitudinal mobility of the membrane as a result of the influence of pressure. This cavity is therefore also called the measuring chamber. Electrodes are provided on the underside of the membrane and on the opposite top of the base body, which together form a measuring capacitor. The membrane is deformed by the action of pressure, which results in a change in the capacitance 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 help of an evaluation unit, the change in capacity is recorded and converted into a pressure measurement. As a rule, these pressure sensors are used to monitor or control processes. They are therefore often connected to higher-level control units (PLCs).

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.From the DE 198 51 506 C1 a capacitive pressure sensor is known, in which the pressure measurement value is determined from the quotient of two capacitance values, a measuring capacitor and a reference capacitor. A pressure measuring cell is not specifically described in this patent specification, but the circuit and the method described are suitable for capacitive pressure measuring cells.

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 a quotient method for pressure evaluation is also used.

Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus: $p \sim \frac{C_{R}}{C_{M}} bzw . p \sim \frac{C_{R}}{C_{M}} - 1 oder p \sim \frac{C_{M} - C_{R}}{C_{M} + C_{R}},$

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.Quotient methods generally assume the following pressure dependencies:

p ~ \frac{C_{R}}{C_{M}} respectively, p ~ \frac{C_{R}}{C_{M}} - 1 or p ~ \frac{C_{M} - C_{R}}{C_{M} + C_{R}} .

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. The possibility is also conceivable C _M and C _R to be exchanged in the quotient. The given example with C _M in the denominator, however, represents the most common form in favor of self-linearization. In the following, therefore, this embodiment is assumed, unless otherwise stated.

In der Praxis ergibt sich immer wieder der Bedarf, bei dem an den Sensor anstehenden Medium neben dem Druck noch eine weitere Prozessgröße zu messen. Weit verbreitet ist die zusätzliche Temperaturmessung, aber auch die Überwachung des Füllstandes bzw. Grenzstandes. Hierzu wird bspw. auf die DE 10 2009 002 662 A1 der Anmelderin verwiesen. Des Weiteren spielt auch die Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors, und dabei insbesondere die der Messzelle, eine immer größere Rolle. Ein Beispiel hierfür offenbart die DE 10 2007 016 792 A1 der Anmelderin.In practice, there is always a need to measure a further process variable in addition to the pressure for the medium applied to the sensor. The additional temperature measurement is also widespread, but also the monitoring of the fill level or limit level. For this purpose, for example DE 10 2009 002 662 A1 referred to the applicant. Furthermore, the monitoring of the functionality of the pressure sensor, and in particular that of the measuring cell, plays an increasingly important role. An example of this is disclosed in the DE 10 2007 016 792 A1 the applicant.

Mit dem aus der zuvor genannten DE 10 2009 002 662 A1 bekannten Drucksensor mit Grenzstandsüberwachung ist die Identifikation von Leerständen, die Erkennung von Anhaftungen oder auch die Unterscheidung bestimmter Medien möglich. Die dafür erforderliche Sensor- und Auswerteelektronik ist jedoch vergleichsweise aufwendig und nicht in jedem Anwendungsfall ist eine derartig umfangreiche und präzise Messwerterfassung notwendig.With the one from the aforementioned DE 10 2009 002 662 A1 known pressure sensor with point level monitoring, the identification of vacancies, the detection of buildup or the differentiation of certain media is possible. The sensor and evaluation electronics required for this is comparatively complex and such a comprehensive and precise measurement value acquisition is not necessary in every application.

Als weiterer Stand der Technik wird die EP 2 738 535 A1 genannt, welche eine Messschaltung für einen kapazitiven Druckmesssensor mit Kompensation der Leckströme beschreibt.As a further state of the art EP 2 738 535 A1 called, which describes a measuring circuit for a capacitive pressure measuring sensor with compensation of the leakage currents.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kapazitiven Drucksensor mit einer einfachen und damit kostengünstig herstellbaren Grenzstandsüberwachung vorzuschlagen, mit der darüber hinaus auch eine Überwachung der Funktionsfähigkeit des Drucksensors möglich ist.The object of the invention is to propose a capacitive pressure sensor with a simple and therefore inexpensive to produce point level monitoring, with which it is also possible to monitor the functionality of the pressure sensor.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention with a capacitive pressure sensor with the features of claim 1. Advantageous refinements of the invention are specified in the subclaims.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ausgehend von dem in der eingangs genannten Druckschrift DE 198 51 506 C1 gezeigten Drucksensor die gemeinsame Gegenelektrode von Mess- und Referenzkondensator im Betrieb fortlaufend in elektrischer Bewegung ist (dort dargestellt durch das dreieckförmige Signal an U₁ ), wodurch über den zunächst kapazitiven Weg durch die Keramikmembran hindurch ein zusätzlicher Strom zur Maschinenmasse oder dem Sensorgehäuse bei Anhaftung bzw. Vorhandensein eines pastösen oder flüssigen Mediums an der Membran getrieben wird. Dieser zusätzliche Strom wird durch einen zusätzlich installierten internen Shuntwiderstand erfasst und ein shuntauswertender Instrumentenverstärker innerhalb einer Auswerte-/Verstärkereinheit generiert daraus ein entsprechendes Signal, aus dem Informationen bezüglich einer Grenzstandsüberwachung sowie der Funktionsfähigkeit des Drucksensors gewonnen werden können.The invention is based on the knowledge that, starting from the document mentioned in the introduction DE 198 51 506 C1 shown pressure sensor, the common counter electrode of the measuring and reference capacitor in operation is continuously in electrical movement (represented by the triangular signal there U ₁ ), which leads to an additional current for the initially capacitive path through the ceramic membrane Machine mass or the sensor housing when adhering or the presence of a pasty or liquid medium is driven on the membrane. This additional current is detected by an additionally installed internal shunt resistor and a shunt evaluating instrument amplifier within an evaluation / amplifier unit generates a corresponding signal from which information regarding a point level monitoring and the functionality of the pressure sensor can be obtained.

Der Vorteil besteht darin, dass die eigentliche Druckmessung durch die Funktionserweiterung nicht beeinträchtigt wird und die zusätzlichen Maßnahmen sehr preiswert zu realisieren sind.The advantage is that the actual pressure measurement is not affected by the functional expansion and the additional measures can be implemented very inexpensively.

Das am Ausgang der Auswerte-/Verstärkereinheit anliegende Spannungssignal U_G ist im einfachsten Fall ein im Rhythmus des genannten dreieckförmigen Taktsignals symmetrisch um einen Nullpunkt alternierendes DC-Signal, welches von einem Mikrocontroller eingelesen und ausgewertet werden kann. Falls das Spannungssignal U_G kontinuierlich als DC verfügbar sein soll, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass eine weitere Sample&Hold-Stufe das alternierende Signal gleichrichtet. Vorteilhafterweise könnte diese weitere Sample&Hold-Stufe durch die Ansteuerung der ohnehin vorhandenen Sample&Hold-Schaltung für die Aufbereitung des Druckmesswertsignals mitgesteuert werden. The voltage signal present at the output of the evaluation / amplifier unit U _G is in the simplest case a DC signal which alternates symmetrically around a zero point in the rhythm of the triangular clock signal mentioned and which can be read in and evaluated by a microcontroller. If the voltage signal U _G Should be continuously available as a DC, an advantageous development of the invention provides that a further sample & hold stage rectifies the alternating signal. This additional sample and hold stage could advantageously also be controlled by controlling the already existing sample and hold circuit for processing the pressure measurement signal.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mittels eines Widerstandsnetzwerks signalmäßig jener Stromanteil abgezogen werden kann, der für die eigentliche Druckmessung ohnehin durch den Shuntwiderstand fließt. Der Vorteil besteht nun darin, dass der zusätzliche Strom, der außen durch ein Medium zur Maschinenmasse oder dem Sensorgehäuse fließt, höher verstärkt repräsentiert werden kann.A further advantageous development of the invention provides that, by means of a resistance network, that portion of the current which flows anyway through the shunt resistor for the actual pressure measurement can be deducted. The advantage now is that the additional current that flows outside through a medium to the machine ground or the sensor housing can be represented to a greater extent.

Neben der Grenzstandsüberwachung, bei der das Spannungssignal U_G schlicht auf das Vorhandensein eines zusätzlichen Außenstroms überwacht wird, kann mit der Erfindung auch eine Plausibilitätsprüfung im nicht-aktiven Zustand, d.h. wenn an dem Drucksensor kein Druck anliegt, durchgeführt werden. Kein anliegender Druck muss dann zwingend einhergehen mit der Tatsache, dass das Spannungssignal U_G keinen zusätzlichen Außenstrom beinhaltet. Sollte es hier Abweichungen geben, deutet dieser Umstand auf eine fehlerhafte Funktionsfähigkeit des Drucksensors hin oder auf möglicherweise druckmessbehindernde Anhaftung von resistiv und/oder kapazitiv leitfähigem Medium auf der Messmembran.In addition to the point level monitoring, in which the voltage signal U _G is simply monitored for the presence of an additional external current, the invention can also be used to carry out a plausibility check in the inactive state, ie when there is no pressure at the pressure sensor. No pressure then has to go hand in hand with the fact that the voltage signal U _G does not include any additional external electricity. If there are deviations here, this indicates a faulty functionality of the pressure sensor or a possibly pressure-limiting adhesion of resistive and / or capacitively conductive medium on the measuring membrane.

Ein dritter Anwendungsfall ist das Erkennen eines Mediumseintritts infolge einer Membranbeschädigung. In diesem Fall würde sich aufgrund der daraus resultierenden Veränderung des Dielektrikums (Membran und Medium) das Spannungssignals U_G schlagartig und signifikant verändern.A third application is the detection of media entry due to membrane damage. In this case, the voltage signal would change due to the resulting change in the dielectric (membrane and medium) U _G suddenly and significantly change.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

1 ein Blockdiagramm eines bekannten kapazitiven Druckmessgeräts,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer bekannten kapazitiven Druckmesszelle,
3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß 2,
4 die bekannte Auswerteschaltung nach 3, ergänzt um die erfindungsgemäße Auswerte-/Verstärkereinheit samt Shuntwiderstand und
5 die erfindungsgemäße Auswerte-/Verstärkereinheit zusammen mit einer optionalen Sample&Hold-Schaltung.

They show schematically:

1 1 shows a block diagram of a known capacitive pressure measuring device,
2 2 shows a schematic sectional illustration of a known capacitive pressure measuring cell,
3 a known evaluation circuit for a capacitive pressure measuring cell according to 2 .
4 the known evaluation circuit after 3 , supplemented by the evaluation / amplifier unit according to the invention including shunt resistance and
5 the evaluation / amplifier unit according to the invention together with an optional sample & hold circuit.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.

In 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Druckmessgeräts dargestellt, das 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 a block diagram of a typical capacitive pressure measuring device is shown, which is used to measure a process pressure p (e.g. of oil, milk, water, etc.). The pressure gauge 1 is designed as a two-wire device and essentially consists of a pressure measuring cell 10 and evaluation electronics 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 is digitized and further processed. The microcontroller µC provides the evaluation result as a digital or analog output signal z. B. a PLC available. The pressure gauge is for energy supply 1 connected to a voltage 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 measuring cell 10 how it is used in many ways in capacitive pressure measuring devices, in a schematic representation. The pressure measuring cell 10 consists essentially of a basic body 12 and a membrane 14 that have a glass solder ring 16 are interconnected. The basic body 12 and the membrane 14 delimit a cavity 19 , which - preferably only at low pressure ranges up to 50 bar a ventilation duct 18 with the back of the pressure measuring cell 10 connected is.

Sowohl auf dem Grundkörper 12 als 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 COM und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode COM. Der Messkondensator C_M und der Referenzkondensator C_R besitzen also eine gemeinsame auf der Membran angeordnete Elektrode COM.Both on the main 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 COM and the center electrode M formed, the reference capacitor C _R through the ring electrode R and the membrane electrode COM , The measuring capacitor C _M and the reference capacitor C _R thus have a common electrode arranged on the membrane COM ,

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 COM 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 COM weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode COM zur Mittelelektrode M. An sich sollte der Referenzkondensator C_R nicht druckempfindlich sein.The process pressure p acts on the membrane 14 , which bends more or less in accordance with the pressurization, essentially the distance between the membrane electrode COM to the center electrode M changes. This leads to a corresponding change in the capacitance of the measuring capacitor C _M , The influence on the reference capacitor C _R is less because the distance between the ring electrode R and membrane electrode COM changed less than the distance between the membrane electrodes COM to the center electrode M , As such, the reference capacitor should C _R not be sensitive to pressure.

Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. C_M und C_R 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 designate both the measuring or reference capacitor itself and its capacitance.

In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Eine erste Leitung L1 führt zu der gemeinsamen Elektrode COM von Messkondensator C_M und Referenzkondensator C_R , einezweite Leitung L2 zu dem Messkondensator C_M und eine dritte Leitung L3 zu dem Referenzkondensator C_R . 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 (=Masse) alterniert und eine Periodendauer von ca. 300 µs aufweist. Die Eingangsspannung 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 als COM-Signal am Ausgang des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Der Messpunkt P1 liegt dabei durch den Operationsverstärker OP1 virtuell auf Masse.In 3 is a well-known evaluation circuit 30 for the pressure measuring cell 10 shown in more detail. A first line L1 leads to the common electrode COM of measuring capacitor C _M and reference capacitor C _R , a second line L2 to the measuring capacitor C _M and a third line L3 to the reference capacitor C _R , The measuring capacitor C _M is together with a resistance R ₁ in an integrating branch IZ and the reference capacitor C _R along with a resistance R ₂ in a differentiation branch DZ arranged. At the entrance of the integrating branch IZ there is a square wave voltage U _E0 which preferably alternates symmetrically by 0 volts (= ground) and has a period of approximately 300 µs. 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), which as COM Signal at the output of the integrating branch IZ is issued. The measuring point P1 is virtually grounded through the operational amplifier OP1.

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 by a rectangular generator RG controls. As soon as the voltage signal at the output COM the comparator changes or falls below a threshold value SG its output signal, whereupon the square wave generator RG its output voltage is inverted.

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 U_Mess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.The differentiator DZ also 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 an S&H sample-and-hold circuit. The measuring voltage is at the output of the S&H sample-and-hold circuit U _Mess from which the process pressure p is applied to the pressure measuring cell 10 works, 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 C_M virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom 1, über den Widerstand R₁ , der den Messkondensator C_M solange auflädt, bis die Rechteckspannung U_E0 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 is virtually kept to ground. This causes a constant current to flow 1 , about the resistance R ₁ which is the measuring capacitor C _M charges until the square wave voltage U _E0 their sign changes.

Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R₁= R₂ und C_M = C_R 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 * 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 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 U_R an, deren Amplitude vom Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt und deren Periodendauer der der Eingangsspannung U_E0 entspricht, d.h. ca. 300 µs beträgt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ C_R/C_M - 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 the differentiating branch DZ even then at the same potential as the measurement point P1 , i.e. at the mass level, is when the connection between the measuring point P2 and the operational amplifier OP2 would not exist. This applies not only in this special case, but always when the time constants R ₁ * C _M and R ₂ * C _R are equal to one another. When zeroing, this state is determined by the variable resistors R ₁ respectively. R ₂ set accordingly. If the capacitance of the measuring capacitor C _M changes due to pressure, the condition is the equality of time constants in the integrating branch IZ and in the differentiation branch DZ no longer exist and the potential at the measuring point P2 would deviate from zero. However, this change is directly affected by the operational amplifier OP2 counteracted because the operational amplifier OP2 the connection point P2 continues to keep virtually on ground. At the output of the operational amplifier OP2 therefore there is a square wave voltage U _R whose amplitude depends on the quotient of the two time constants and whose period duration that of the input voltage U _E0 corresponds, ie is approx. 300 µs. It can easily be shown that the amplitude is directly proportional to the process pressure p ~ _CR / _CM - 1, the dependence being essentially linear. The amplitude can be adjusted via the voltage divider through the two resistors R ₅ and R ₆ is formed, adjust.

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 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 Amplitude der Eingangsspannung 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 R₂ und R₁ vorgesehen. Dieser Spannungsteiler ist mit einer Referenzspannung und VRE verbunden vorteilhafterweise abgleichbar.The positive and negative amplitudes A + and A- of the square-wave signal are added in terms of magnitude via a sample and hold circuit S&H Amount A as measuring voltage U _Mess at the output of the operational amplifier OP3 output and forwarded to the microcontroller µC (not shown). However, it could also be output directly as an analog value. The amplitude of the input voltage U _E0 that at the output of the square wave generator RG is present depending on the measuring voltage U _Mess set to achieve better linearity. For this there is a voltage divider consisting of the resistors R ₂ and R ₁ intended. This voltage divider can advantageously be adjusted when connected to a reference voltage and VRE.

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 ist im Wesentlichen die bekannte Auswerteschaltung nach 3 gezeigt, die nun jedoch um den erfindungswesentlichen Teil in Form des Shuntwiderstands R_Shunt und die Auswerte-/Verstärkereinheit AWE ergänzt ist. Der Shuntwiderstand R_Shunt ist zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 und der gemeinsamen Elektrode COM von Mess- und Referenzkondensator C_M , C_R angeordnet. Mittels der Auswerte-/Verstärkereinheit AWE wird die über dem Shuntwiderstand R_Shunt abfallende Spannung und damit der durch ihn fließende Strom erfasst. Die Auswerte-/Verstärkereinheit AWE ist deswegen an den beiden Punkten COM und COM1 mit der ersten Leitung L1 verbunden.In 4 is essentially the known evaluation circuit according to 3 shown, but now around the essential part of the invention in the form of shunt resistance R _shunt and the evaluation / amplifier unit AWE is added. The shunt resistance R _shunt is between the output of the first operational amplifier OP1 and the common electrode COM of measuring and reference capacitor C _M . C _R arranged. By means of the evaluation / amplifier unit AWE will the over the shunt resistance R _shunt falling voltage and thus the current flowing through it. The evaluation / amplifier unit AWE is therefore at the two points COM and COM1 with the first line L1 connected.

Da die gemeinsame Gegenelektrode COM von Mess- und Referenzkondensator C_M , C_R im Betrieb fortlaufend in elektrischer Bewegung ist (dargestellt durch das dreieckförmige Signal an COM), wird über den zunächst kapazitiven Weg durch die Keramikmembran hindurch ein zusätzlicher Strom zur Maschinenmasse oder dem Sensorgehäuse bei Anhaftung bzw. Vorhandensein eines pastösen oder flüssigen Mediums an der Membran getrieben. Dieser zusätzliche Strom wird nun durch den Shuntwiderstand R_Shunt erfasst und ein shuntauswertender Instrumentenverstärker innerhalb einer Auswerte-/Verstärkereinheit AWE generiert daraus ein Spannungssignal U_G , aus dem Informationen bezüglich einer Grenzstandsüberwachung sowie der Funktionsfähigkeit des Drucksensors gewonnen werden können.Because the common counter electrode COM of measuring and reference capacitor C _M . C _R is continuously in electrical motion during operation (represented by the triangular signal on COM ), via the initially capacitive path through the ceramic membrane, an additional current is driven to the machine mass or the sensor housing if a pasty or liquid medium adheres to or is present on the membrane. This additional current is now caused by the shunt resistance R _shunt detected and a shun evaluating instrument amplifier within an evaluation / amplifier unit AWE generates a voltage signal from it U _G , from which information regarding point level monitoring and the functionality of the pressure sensor can be obtained.

Durch ein in 5 näher gezeigtes Widerstandsnetzwerk 40 wird signalmäßig jener Stromanteil abgezogen, der für die eigentliche Druckmessung ohnehin durch den Shuntwiderstand fließt. Hierzu ist die Auswerte-/Verstärkereinheit AWE zusätzlich noch mit dem Anschluss U_E0 verbunden. Der zusätzliche äußere Strom durch ein Medium zur Maschinenmasse oder dem Sensorgehäuse kann damit höher verstärkt repräsentiert werden.By an in 5 Resistor network shown in more detail 40 the signal portion is subtracted that flows anyway through the shunt resistance for the actual pressure measurement. This is the evaluation / amplifier unit AWE additionally with the connection U _E0 connected. The additional external current through a medium to the machine mass or the sensor housing can thus be represented to a greater extent.

Neben der Grenzstandsüberwachung, bei dem das Spannungssignal U_G einfach auf das Vorhandensein eines zusätzlichen Außenstroms überwacht wird, kann mit der Erfindung auch eine Plausibilitätsprüfung im nicht-aktiven Zustand, d.h. wenn an dem Drucksensor kein Druck anliegt, durchgeführt werden. Kein anliegender Druck muss dann zwingend einhergehen mit der Tatsache, dass das Spannungssignal U_G keinen zusätzlichen Außenstrom beinhaltet. Sollte es hier Abweichungen geben, deutet dieser Umstand auf eine fehlerhafte Funktionsfähigkeit des Drucksensors hin oder auf eine möglicherweise druckmessbehindernde Mediumsanhaftung auf der Messmembran.In addition to the point level monitoring, in which the voltage signal U _G is simply monitored for the presence of an additional external current, the invention can also be used to carry out a plausibility check in the inactive state, ie when there is no pressure at the pressure sensor. No pressure then has to go hand in hand with the fact that the voltage signal U _G does not include any additional external electricity. If there are deviations here, this indicates a faulty functionality of the pressure sensor or a possibly adhering medium adhering to the measuring membrane.

Ein dritter Anwendungsfall ist das Erkennen eines Mediumseintritts infolge einer Membranbeschädigung. In diesem Fall würde sich aufgrund der daraus resultierenden Veränderung des Dielektrikums (Membran und Medium) das Spannungssignal U_G schlagartig und signifikant verändern.A third application is the detection of media entry due to membrane damage. In this case, the voltage signal would change due to the resulting change in the dielectric (membrane and medium) U _G suddenly and significantly change.

5 zeigt zum einen den konkreten Aufbau der Auswerte-/Verstärkereinheit AWE mit einem Instrumentenverstärker und dem bereits erwähnten Widerstandsnetzwerk 40. Zum anderen ist eine weitere Sample&Hold-Stufe S&H_1 gezeigt, durch die das um einen Nullpunkt alternierende Spannungssignal U_G in ein kontinuierliches DC-Signal gleichrichtet werden kann. Vorteilhafterweise könnte diese weitere Sample&Hold-Stufe S&H_1 durch die Ansteuerung der ohnehin vorhandenen Sample&Hold-Schaltung S&H für die Aufbereitung des Druckmesswertsignals mitgesteuert werden. 5 shows the concrete structure of the evaluation / amplifier unit AWE with an instrument amplifier and the resistor network already mentioned 40 , On the other hand, another sample & hold stage S & H_1 is shown, by means of which the voltage signal alternating around a zero point U _G can be rectified into a continuous DC signal. Advantageously, this further sample & hold stage S & H_1 could also be controlled by controlling the already existing sample & hold circuit S&H for the preparation of the pressure measurement signal.

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
C_M C _M: Messkondensatormeasuring capacitor
C_R C _R: Referenzkondensatorreference capacitor
MM: Mittelelektrodecenter electrode
RR: Ringelektrodering electrode
COMCOM: Membranelektrodemembrane electrode
COM1COM1: Anschlusspunkt nach dem ersten OperationsverstärkerConnection point after the first operational amplifier
IZIZ: IntegrierzweigIntegrierzweig
DZDZ: DifferenzierzweigDifferentiating branch
SGSG: Schwellwert-KomparatorThreshold comparator
RGRG: Rechteckgeneratorsquare wave generator
AWEAWE: Auswerte-/VerstärkereinheitEvaluation / amplifier unit
R_Shunt R _shunt: Shuntwiderstandshunt resistor
L1L1: erste Leitungfirst line
L2L2: zweite Leitungsecond line
L3L3: dritte Leitungthird line

Claims

amended claims

Capacitive pressure sensor with a pressure measuring cell (10) for detecting the pressure of a medium in a container and an evaluation circuit (30) for processing and processing the measurement signals transmitted by the pressure measuring cell (10), the pressure measuring cell (10) being a pressure-sensitive measuring capacitor (C _M ) and has a reference capacitor (C _R ) and the pressure measuring cell (10) is connected to the evaluation circuit (30) via three lines (L1, L2, L3), a first line (L1) leading to a common electrode (COM) of the measuring capacitor ( C _M ) and reference capacitor (C _R ) leads, a second line (L2) to the measuring capacitor (C _M ) and a third line (L3) leads to the reference capacitor (C _R ), the evaluation circuit (30) having a first operational amplifier ( OP1), the low-resistance output of which is connected to the common electrode (COM) via the first line (L1), characterized in that between the output of the first operational amplifier arkers (OP1) and the common electrode (COM) a shunt resistor (R _shunt ) is arranged, the voltage drop is a measure of the charging current and is converted into an alternating voltage signal U _G by means of an amplifier unit (AWE), and that an evaluation unit (AWE ) is provided in which the alternating voltage signal U _{G is} evaluated with regard to additional external currents.

Capacitive pressure sensor after Claim 1 , characterized in that the alternating voltage signal U _{G is} fed to a further sample & hold stage (S & H_1), this further sample & hold stage (S & H_1) being controlled in synchronism with a sample & hold circuit (S&H) already present for evaluating the pressure measurement value signals.

Capacitive pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation / amplifier unit (AWE) comprises a resistance network (40).