DE102019129264B4 - Verfahren zur Funktionsüberwachung einer kapazitiven Druckmesszelle - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Funktionsüberwachung einer kapazitiven Druckmesszelle (10), die einen Messkondensator (CM) und einen Referenzkondensator (CR) aufweist, die mit einer internen Erregerspannung UE0in Form eines alternierenden Rechtecksignals beaufschlagt werden, und der Druckmesswert p aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (CM) und des Referenzkondensators (CR) gewonnen wird,wobei die Erregerspannung UE0mittels des Messkondensators (CM) durch Integration in ein ansteigendes bzw. abfallendes Spannungssignal UCOMgewandelt wird,und wobei das Spannungssignal UCOMeinem Komparator-Oszillator (SG) zugeführt wird, wodurch die Erregerspannung UE0generiert wird,dadurch gekennzeichnet,dass von dem Spannungssignal UCOMwährend des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten t1, t2die entsprechenden Spannungswerte U1, U2erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare t1;U1und t2;U2eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt wird,wobei mithilfe der Geradengleichung U = f(t) innerhalb des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs der Zeitpunkt txerrechnet wird, an dem der im Komparator-Oszillator (SG) als Schwellwert bzw. Umschaltpunkt eingestellte Spannungswert Uxerreicht wird,wobei- entweder der Zeitpunkt txmit dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt des Komparator-Oszillators (SG) verglichen und bei signifikanter Abweichung ein Fehlersignal erzeugt wird- oder durch den Zeitpunkt txein fiktiver Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators (SG) definiert und daraus eine fiktive Arbeitsfrequenz berechnet wird und bei signifikanter Abweichung dieser fiktiven Arbeitsfrequenz von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators (SG) ein Fehlersignal erzeugt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors.
• 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.
• 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.
• Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
• Aus der DE 198 51 506 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.
• Aus der EP 0 569 573 B1 ist eine Schaltungsanordnung für einen kapazitiven Drucksensor bekannt, bei dem ebenfalls ein Quotientenverfahren zur Druckauswertung eingesetzt wird.
• Quotientenverfahren gehen in der Regel von folgenden Druckabhängigkeiten aus: $$p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}\text{ bzw}.p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}}-1\text{ oder }p\sim \frac{{\text{C}}_{\text{M}}-{\text{C}}_{\text{R}}}{{\text{C}}_{\text{M}}+{\text{C}}_{\text{R}}}\text{,}$$

  

  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 angegeben 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.
• Die Zuverlässigkeit bei kapazitiven Drucksensoren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Eine Optimierung des Messprinzips bei Drucksensoren in Bezug auf mögliche Kriechströme auf der - dem zu messenden Medium abgewandten - Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswertelektronik zum Zwecke der Eliminierung von möglicherweise durch die Umgebung eingetragenen und zur Kondensierung neigenden Luftfeuchteanteilen wird angestrebt.
• Als allgemeiner 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.
• Die DE 197 08 330 C1 und die EP 2 738 535 A1 stellen weitere Dokumente dar, die den technologischen Hintergrund definieren.
• Schließlich sind DE 10 2018 118 645 B3 und die DE 10 2018 118 646 B3 zu nennen, die jeweils ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors offenbaren. Der DE 10 2018 118 645 B3 liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es im Nenndruckbereich des Drucksensors einen festen Zusammenhang zwischen Pulshöhe bzw. Amplitude und Periodendauer bzw. Frequenz gibt und dass durch einen Mediumseintritt in die Messkammer - verursacht durch einen Membranbruch oder durch Eintritt über den Entlüftungskanal - das aus dem oben dargestellten Quotienten aus Messkapazität C_M und Referenzkapazität C_R gebildete Rechtecksignal signifikant verändert wird. In der DE 10 2018 118 646 B3 geht es darum, 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.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors vorzuschlagen, durch das die Erkennung eines Fehlereinflusses auf das Messergebnis aufgrund von insbesondere feuchtigkeitsbedingten Kriechströmen ermöglicht wird.
• Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Erfindung beruht auf der 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 vom Messkondensator im Zusammenspiel mit einem Komparator-Oszillator erzeugten dreieckförmigen Spannungssignals U_COM nach sich zieht. Anstatt eines gleichmäßig linear ansteigenden und abfallenden Verlaufs stellt sich in dem Fall ein bauchartiger Verlauf ein. Konkret sieht der Verlauf dann so aus, dass sich sowohl während des ansteigenden Verlaufs des Dreiecksignals als auch während des abfallenden Verlaufs der Anstieg zunächst zunimmt und dann abnimmt. Je nachdem, wie groß der resitive Einfluss ist, stellt sich ein mehr oder weniger starker bauchartiger Verlauf ein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Erkennung derartiger Signalverläufe vor, dass von dem dreieckförmigen Spannungssignal U_COM während des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten t₁, t₂ die entsprechenden Spannungswerte U₁, U₂ erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare t₁;U₁ und t₂;U₂ eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt wird. Mithilfe dieser Geradengleichung U = f(t) kann innerhalb des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs der Zeitpunkt t_x errechnet werden, an dem der im Komparator-Oszillator als Schwellwert bzw. Umschaltpunkt eingestellte Spannungswert U_x erreicht wird. Für die Analyse und damit für die Fehleranzeige gibt es nun zwei Möglichkeiten: entweder wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn der Zeitpunkt t_x von dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt des Komparator-Oszillators signifikant abweicht oder wenn die fiktive Arbeitsfrequenz, die durch den zum Zeitpunkt t_x definierten fiktiven Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators berechnet wird, von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators signifikant abweicht.
• 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.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• 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 Spannungssignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Spannungssignals gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 5 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Spannungssignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Spannungssignals gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 6 die Auswerteschaltung aus 3, ergänzt um einen Mikrocontroller zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• In 1 ist ein Blockdiagramm eines typischen kapazitiven Druckmessgeräts 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.
• 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.
• 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 ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R durch die Ringelektrode R und die Membranelektrode ME.
• Der Prozessdruck p wirkt auf die Membran 14, die sich entsprechend der Druckbeaufschlagung mehr oder weniger durchbiegt, wobei sich im Wesentlichen der Abstand der Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Kapazitätsänderung des Messkondensators C_M . Der Einfluss auf den Referenzkondensator C_R ist geringer, da sich der Abstand zwischen Ringelektrode R und Membranelektrode ME weniger stark verändert als der Abstand zwischen Membranelektrode ME zur Mittelelektrode M.
• Im Folgenden wird zwischen der Bezeichnung des Kondensators und seinem Kapazitätswert nicht unterschieden. C_M und C_R bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.
• In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator C_M ist zusammen mit einem Widerstand R₁ in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator C_R zusammen mit einem Widerstand R₂in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung U_E0 an, die vorzugsweise symmetrisch um 0 Volt alterniert. 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 am Ausgang COM des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Der Messpunkt P1 liegt dabei durch den Operationsverstärker OP1 virtuell auf Masse.
• Der Ausgang COM ist mit einem Schwellwert-Komparator SG verbunden, der einen Rechteckgenerator RG ansteuert. Sobald das Spannungssignal U_COM am Ausgang COM einen Schwellwert über- bzw. unterschreitet, ändert der Komparator SG sein Ausgangssignal, woraufhin der Rechteckgenerator RG seine Ausgangsspannung jeweils invertiert.
• Der Differenzierzweig DZ besteht weiter aus einem Operationsverstärkers OP2, einem Spannungsteiler mit den beiden Widerständen R₅ und R₆ und einem Rückführungswiderstand R₇. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Sample-and-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and-Hold-Schaltung S&H liegt die Messspannung U_Mess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.
• Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker OP1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand R₁ und dem Messkondensator C_M virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom I₁, über den Widerstand R₁, der den Messkondensator C_M solange auflädt, bis die Rechteckspannung U_E0 ihr Vorzeichen wechselt.
• Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R₁= R₂ und C_M = C_R der 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. 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.
• 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 R₂₀ und R₁₀ vorgesehen. Dieser Spannungsteiler ist mit einer Referenzspannung VREF verbunden und vorteilhafterweise abgleichbar.
• Die positive Betriebsspannung V+ liegt typischerweise bei +2,5 V und die negative Betriebsspannung V- bei -2,5 V.
• In 4 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zum einen ist das linear ansteigende bzw. abfallendes Spannungssignal U_COM gezeigt, das maßgeblich durch den Messkondensator C_M bestimmt ist und am Ausgang COM des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Die durchgezogene Linie stellt dabei den Idealverlauf dar. Abhängig von den eingestellten Umschaltpunkten im Komparator-Oszillator SG wird daraus die Rechteckspannung U_E0 generiert, die symmetrisch um 0 Volt alterniert.
• Durch die strichpunktierte Linie ist der Signalverlauf des Spannungssignals U_COM dargestellt, wie er sich in dem Fall einstellt, wenn bspw. durch Feuchtigkeit auf der Rückseite der Druckmesszelle 10 oder in Teilen der Auswerteelektronik Kriechströme entstehen. Anstatt eines gleichmäßig linear ansteigenden und abfallenden Verlaufs stellt sich in dem Fall ein bauchartiger Verlauf ein. Konkret sieht der Verlauf dann so aus, dass sich sowohl während des ansteigenden Verlaufs des Dreiecksignals als auch während des abfallenden Verlaufs der Anstieg zunächst zunimmt und dann abnimmt. Je nachdem, wie groß der resistive Einfluss ist, stellt sich ein mehr oder weniger starker bauchartiger Verlauf ein.
• Erfindungsgemäß wird von dem Spannungssignal U_COM während des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten t₁, t₂ die entsprechenden Spannungswerte U₁, U₂ erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare t₁; U₁ und t₂; U₂ eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt. In 4 ist beispielhaft der Fall dargestellt, dass eine Gerade in den ansteigenden Signalverlauf gelegt ist. Der Zeitpunkt t₁ entspricht hier dem Umschaltzeitpunkt vom abfallenden in den ansteigenden Signalverlauf, während der Zeitpunkt t₂ in der Mitte des ansteigenden Signalverlaufs liegt, sozusagen bei einem Viertel bzw. einem Dreiviertel einer Periode.
• Deutlich zu erkennen ist, dass im Falle eines bauchartigen Verlaufs des Spannungssignals U_COM die Gerade am entgegengesetzten Umschaltpunkt den im Komparator SG definierten Schwellwert U_x zum Zeitpunkt t_x deutlich früher erreicht als der tatsächliche Umschaltzeitpunkt. Dieser Zeitpunkt t_x lässt sich anhand der Geradengleichung leicht berechnen. Durch Vergleich von t_x mit dem tatsächlichen Umkehrzeitpunkt ergibt sich eine Zeitdifferenz Δt. Sollte nun der Zeitpunkt t_x signifikant von dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt abweichen, d.h. die Zeitdifferenz Δt den Wert null signifikant übersteigen, deutet das auf Kriechströme und damit auf resistive Einflüsse auf die Messgenauigkeit hin. Als Ergebnis wird dem Anwender diese Situation in Form eines Fehlersignals angezeigt.
• 5 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Ausgangssituation sowie der grundsätzliche Erfindungsgedanke in Form der Geradenbildung ist dabei identisch mit 4. Der Unterschied besteht in der Fehlererkennung. Während in der ersten Ausführungsform gemäß 4 die Fehlererkennung mittels Zeitauswertung erfolgt, steht in der zweiten Ausführungsform gemäß 5 die Auswertung der Arbeitsfrequenz im Mittelpunkt.
• Der bei Erreichen der Schwellwertspannung U_x errechnete Zeitpunkt t_x wird als fiktiver Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators SG definiert und daraus eine fiktive Arbeitsfrequenz berechnet. Verdeutlicht werden soll das durch den gestrichelten Verlauf des Dreiecksignals nach dem Umschaltpunkt. Im Fehlerfall stellt sich eine fiktive Periodenhälfte ein, die kürzer ist als die tatsächliche Periodenhälfte. Entsprechend hochgerechnet verkürzt sich die fiktive Periodendauer insgesamt gegenüber der tatschlichen Periodendauer, so dass sich ein Frequenzunterschied einstellt. Bei Vergleich der beiden Arbeitsfrequenzen und Erkennen einer signifikanten Abweichung dieser fiktiven Arbeitsfrequenz von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators SG deutet dies wiederrum auf Kriechströme und damit auf resistive Einflüsse auf die Messgenauigkeit hin, was dem Anwender in Form eines Fehlersignals angezeigt wird.
• 6 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, eine erste Verarbeitungseinheit 70 und eine CPU 50 als Haupt-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.
• 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 je nachdem, ob die erste oder zweite Ausführungsform angewendet wird, der tatsächliche Umschaltzeitpunkt des Dreiecksignals U_COM bzw. dessen Periodendauer abgleitet, welche jeweils der CPU 50 zugeführt wird.
• Die erste Verarbeitungseinheit 70 ist ein Modul mit A/D-Wandler und CPU-Ressourcen, wobei natürlich auch die anderen Eingänge integrierte A/D-Wandler aufweisen. Dieses Modul 70 kann selbstverständlich auch in die CPU-Einheit 50 integriert sein. In dieser ersten Verarbeitungseinheit 70 erfolgt die Ermittlung der Geradengleichung U = f(t). In der CPU 50 selbst erfolgt dann zum einen die Berechnung des Zeitpunkts t_x, zu dem der gesetzte Schwellwert fiktiv von der Gerade erreicht wird und anschließend der Vergleich der Umschaltzeitpunkte oder der daraus abgeleiteten Periodendauern bzw. Arbeitsfrequenzen. Bei signifikanter Abweichung der beiden Umschaltzeitpunkte bzw. der beiden Periodendauern von einem vorgegebenen Toleranzband wird ein Fehlersignal generiert, welches am Ausgang diag_out ausgegeben wird.
• Der aktuell gemessene Druckwert in Form des aus 3 bekannten Spannungssignals U_R wird unverändert auf 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.
• Bezugszeichenliste

1

Druckmessgerät

10

Druckmesszelle

12

Grundkörper

14

Membran

16

Glaslotring

18

Entlüftungskanal

19

Hohlraum

20

Auswerteelektronik

30

Auswerteschaltung

50

Haupt-Verarbeitungseinheit, CPU

60

Timer

70

erste Verarbeitungseinheit

CM

Messkondensator

CR

Referenzkondensator

M

Mittelelektrode

R

Ringelektrode

ME

Membranelektrode

IZ

Integrierzweig

DZ

Differenzierzweig

SG

Schwellwert-Komparator

RG

Rechteckgenerator

Claims (4)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung einer kapazitiven Druckmesszelle (10), die einen Messkondensator (C_M) und einen Referenzkondensator (C_R) aufweist, die mit einer internen Erregerspannung U_E0 in Form eines alternierenden Rechtecksignals beaufschlagt werden, und der Druckmesswert p aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (C_M) und des Referenzkondensators (C_R) gewonnen wird, wobei die Erregerspannung U_E0 mittels des Messkondensators (C_M) durch Integration in ein ansteigendes bzw. abfallendes Spannungssignal U_COM gewandelt wird, und wobei das Spannungssignal U_COM einem Komparator-Oszillator (SG) zugeführt wird, wodurch die Erregerspannung U_E0 generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Spannungssignal U_COM während des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten t₁, t₂ die entsprechenden Spannungswerte U₁, U₂ erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare t₁;U₁ und t₂;U₂ eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt wird, wobei mithilfe der Geradengleichung U = f(t) innerhalb des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs der Zeitpunkt t_x errechnet wird, an dem der im Komparator-Oszillator (SG) als Schwellwert bzw. Umschaltpunkt eingestellte Spannungswert U_x erreicht wird, wobei - entweder der Zeitpunkt t_x mit dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt des Komparator-Oszillators (SG) verglichen und bei signifikanter Abweichung ein Fehlersignal erzeugt wird - oder durch den Zeitpunkt t_x ein fiktiver Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators (SG) definiert und daraus eine fiktive Arbeitsfrequenz berechnet wird und bei signifikanter Abweichung dieser fiktiven Arbeitsfrequenz von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators (SG) ein Fehlersignal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₁ dem Umschaltzeitpunkt des Spannungssignals U_COM entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₂ in der ersten Hälfte des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt t₂ in der Mitte des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs liegt.

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