DE102020200718A1

DE102020200718A1 - Vorrichtung zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors, insbesondere Funktionskontrolle mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken

Info

Publication number: DE102020200718A1
Application number: DE102020200718.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Reum; Marcel Reinhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors, insbesondere Funktionskontrolle mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (10) umfasst eine Prüfkammer (16), die zum Aufnehmen mindestens eines Drucksensors (12) mit einem Drucksensorelement ausgebildet ist, einen Referenzdrucksensor (18) mit einem Referenzdrucksensorelement, eine Druckerzeugungsvorrichtung (20) zum Erzeugen eines vorbestimmten Drucks, wobei die Druckerzeugungsvorrichtung (20) mittels einer ersten Leitung (22) und einer zweiten Leitung (24) mit der Prüfkammer (16) und dem Referenzdrucksensor (18) verbunden ist, eine Ventilanordnung (26), die mit der ersten Leitung (22) und der zweiten Leitung (24) derart verbunden ist, dass jeweils an dem Drucksensorelement und dem Referenzdrucksensorelement mittels der ersten Leitung (22) ein erster Soll-Druck und mittels der zweiten Leitung (24) ein zweiter Soll-Druck unabhängig voneinander einstellbar ist, eine Ansteuervorrichtung (28), die zum Steuern der Druckerzeugungsvorrichtung (20) zum Einstellen des vorbestimmten Drucks und zum Steuern der Ventilanordnung (26) zum Einstellen des ersten Soll-Drucks und des zweiten Soll-Drucks ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung zum Erfassen eines ersten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Drucksensorelement angibt, und eines zweiten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Referenzdrucksensorelement angibt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften als möglichem Parameter kann es sich dabei um beliebige physikalische und/oder chemische messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom und/oder einen Druck handeln.
In der Steuerung und Regelung moderner Fahrzeugantriebe, ergeben sich vermehrt Anwendungsfälle, die „echte“ Differenzdruckmessungen verlangen. Darunter sind Messungen von Differenzdrücken zu verstehen, bei welchen der Bezugsdruck über oder unter dem Atmosphärendruck liegt. Bisher war es häufig ausreichend, die Differenzdruckmessung auf eine Relativdruckmessung zurückzuführen, in dem der Referenzdruck dem Umgebungsdruck gleichgesetzt wurde. Zukünftig ist es dagegen erforderlich Differenzdrücke zu erfassen, deren Bezugsdruck vom Unterdruckbereich bis hin zu Überdrücken reichen kann.
Zur Überprüfung derartiger Sensoren auf Spezifikationseinhaltung, besteht die Notwendigkeit, vollautomatische Vorrichtungen zu entwickeln, die zur Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken geeignet sind.
Zur Funktionskontrolle von Sensorik, die Differenzdrücke bei unterschiedlichen Absolutdrücken erfasst, ist eine Überprüfung der Kenngrößen Differenzdruck, Absolutdruck und gegebenenfalls Temperatur erforderlich. Ein Prüfstandskonzept, welches die genauen Einsatzbedingungen der Sensoren abbildet, ist jedoch oft nur mit hohem technischen und finanziellen Aufwand umsetzbar. Zudem würden sich häufig Probleme bei der Einhaltung geforderter Toleranzen für systematische Messabweichung und Wiederholbarkeit der Prüfresultate ergeben.
Die Prüfung von Sensoren mit derartigen Einsatzbedingungen wird daher vereinfachend an statischen Arbeitspunkten vorgenommen. Im Stand der Technik führt man in vielen Fällen die Differenzdruckmessung auf eine Relativdruckmessung bei Umgebungsdruck zurück. Hohe Genauigkeitsanforderungen sind hierdurch leichter zu erfüllen.
Im Speziellen ist eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Prüfstand, erforderlich, die in der Lage ist, vollautomatisch Differenzdrücke bei unterschiedlichen Absolutdrücken einzustellen und zu messen. Man kann demzufolge von der Erzeugung und Rückmessung echter Differenzdruckwerte sprechen.
Herkömmliche Auswahlprüfstände initiieren die Messdatenaufzeichnung durch explizite Befehle, die sequentiell an Referenzmesssystem sowie Prüflings-Interface gesendet werden. Hierdurch und durch geräteinterne Ablaufzeiten ergeben sich gewisse Latenzen zwischen den jeweils erfassten Drucksignalen. Die Messdatenaufzeichnung von Prüflings- und Referenzdaten, bei bisherigen Auswahlprüfsystemen, erfolgt asynchron. Das hat den Nachteil, dass sich die Messdaten von Prüflingen und Referenz nicht oder nur unzureichend in zeitliche Übereinstimmung bringen lassen. Demzufolge sind die Ergebnisse herkömmlicher Auswahlprüfstände mit einer gewissen Ungenauigkeit behaftet. Alternativ muss verfahrenstechnisch dafür gesorgt werden, dass die Signale statisch sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Vorrichtung zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors, insbesondere Funktionskontrolle mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken vorgeschlagen, mit welcher entsprechende Drucksensoren an statischen Arbeitspunkten vermessen und hinsichtlich Toleranzeinhaltung bewertet werden können. Unter Rückmessung ist hier zu verstehen, dass die real wirkenden Differenzdrücke hochgenau gemessen werden, anstatt dem geregelten Wert des Druckerzeugers zu vertrauen.
Im Speziellen bedeutet das, eine Vorrichtung, wie beispielsweise einen Prüfstand, zu entwickeln, die in der Lage ist, vollautomatisch Differenzdrücke bei unterschiedlichen Temperaturen und Absolutdrücken einzustellen und zu messen. Wie bereits im Stand der Technik umschrieben, handelt es sich somit um die Erzeugung und Rückmessung echter Differenzdruckwerte. Des Weiteren soll der Prüfablauf vollautomatisch von Statten gehen. Alle Prüfpunkte, das heißt alle Differenzdrücke, Absolutdrücke und gegebenenfalls Temperaturen, können automatisch eingestellt und die Prüflinge hinsichtlich Toleranzeinhaltung geprüft werden. Damit ergeben sich komplexe kaskadierte Prüfabläufe. Die zuvor genannten Anforderungen stellen isoliert betrachtet eine Herausforderung an Mess- und Prozesstechnik dar. Hinzu kommen Genauigkeitsanforderungen an die Differenzdruckmessung, die in dieser Größenordnung als außergewöhnlich zu bezeichnen sind.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors, insbesondere Funktionskontrolle mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken, umfasst eine Prüfkammer, die zum Aufnehmen mindestens eines Drucksensors mit einem Drucksensorelement ausgebildet ist, einen Referenzdrucksensor mit einem Referenzdrucksensorelement, eine Druckerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Drucks, wobei die Druckerzeugungsvorrichtung mittels einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung mit der Prüfkammer und dem Referenzdrucksensor verbunden ist, eine Ventilanordnung, die mit der ersten Leitung und der zweiten Leitung derart verbunden ist, dass jeweils an dem Drucksensorelement und dem Referenzdrucksensorelement mittels der ersten Leitung ein erster Soll-Druck und mittels der zweiten Leitung ein zweiter Soll-Druck unabhängig voneinander einstellbar ist, eine Ansteuervorrichtung, die zum Steuern der Druckerzeugungsvorrichtung zum Einstellen des vorbestimmten Drucks und zum Steuern der Ventilanordnung zum Einstellen des ersten Soll-Drucks und des zweiten Soll-Drucks ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung zum Erfassen eines ersten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Drucksensorelement angibt, und eines zweiten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Referenzdrucksensorelement angibt.
Entsprechend umfasst mit anderen Worten eine erfindungsgemäße Vorrichtung, zur Funktionsprüfung und Bewertung mindestens eines Drucksensors, die folgenden Komponenten. Eine Prüfkammer, die zum Aufnehmen mindestens eines Drucksensors mit einem Drucksensorelement ausgebildet ist. Außerdem einen Referenzdrucksensor mit einem Referenzdrucksensorelement. Weiter eine Druckerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Drucks, wobei die Druckerzeugungsvorrichtung mittels einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung mit der Prüfkammer und dem Referenzdrucksensor verbunden ist. Hinzu kommt eine Ventilanordnung, die mit der ersten Leitung und der zweiten Leitung derart verbunden ist, dass jeweils an dem Drucksensorelement und dem Referenzdrucksensorelement mittels der ersten Leitung ein erster Soll-Druck und mittels der zweiten Leitung ein zweiter Soll-Druck unabhängig voneinander einstellbar ist. Ferner eine Ansteuervorrichtung, die zum Steuern der Druckerzeugungsvorrichtung, zum Einstellen des vorbestimmten Drucks und zum Steuern der Ventilanordnung, zum Einstellen des ersten Soll-Drucks und des zweiten Soll-Drucks ausgebildet ist. Darüber hinaus gibt es eine Auswerteschaltung zum Erfassen eines Messsignals, das einen Differenzdruck (Istdruck Leitung 1 - Istdruck Leitung 2) an dem Drucksensorelement angibt, und eines weiteren Messsignals, das einen Differenzdruck (Istdruck Leitung 1 - Istdruck Leitung 2) an dem Referenzdrucksensorelement angibt.
Bei der Vorrichtung generiert ein Druckerzeuger den geforderten Prüfdruck, der mittels Ventiltechnik an den Prüfling bzw. die Prüflinge und Referenzsensorik verteilt wird. Die zu prüfenden Sensoren befinden sich in einer Prüfkammer und sind mit der Auswerteschaltung verbunden. Zur Einstellung verschiedener Temperaturen kann die Prüfkammer entweder direkt temperiert werden oder in einem Temperierschrank untergebracht sein. Dies kann beispielsweise über ein Interface erfolgen, welches Versorgungsspannung bereitstellt sowie Sensorausgangsdaten erfasst. Alle Abläufe werden bevorzugt zentral von einem Prüfrechner gesteuert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit in der Lage, Differenzdrücke bei verschiedenen Absolutdrücken zu regeln. Um dies zu realisieren, ist der Druckerzeuger mit zwei separaten Leitungen bzw. Regelkanälen der Ventilanordnung ausgestattet. Der Prozessablauf der Erfindung sieht vor, dass zur Einstellung eines neuen Absolutdruckwertes, beide Leitungen bzw. Kanäle zunächst per Ventiltechnik verbunden werden. Sobald der Solldruck mit einer Leitung bzw. einem Regelkanal eingeregelt ist, erfolgt die Trennung der Leitungen bzw. Kanäle voneinander. Im nächsten Schritt wird der Druck in einer der Leitungen bzw. einem der Regelkanäle so variiert, dass sich der gewünschte Differenzdruck ergibt.
Die Ventilanordnung kann zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung und der Prüfkammer angeordnet sein. Sie ist somit innerhalb einer Verbindung von Druckerzeugungsvorrichtung und Prüfkammer angeordnet und wird folglich unmittelbar von dem Druckmedium für die Druckeinstellung innerhalb der Prüfkammer durchflossen bzw. versorgt.
Der erste Soll-Druck und der zweite Soll-Druck können jeweils in einem Bereich von 0 kPa bis 1000 kPa sein. Damit können Drücke, wie sie im Einsatzbereich von druckbasierten Luftmassensensoren oder anderen Niederdrucksensoren vorherrschen, eingestellt werden, so dass der Prüfstand realistische bzw. praxisnahe Ergebnisse liefert.
Eine Differenz zwischen dem ersten Soll-Druck und dem zweiten Soll-Druck kann in einem Bereich von -1000 kPa bis +1000 kPa liegen. Im Falle des umgesetzten Prüfstandes für PFM-Sensoren, umfasst der Differenzdruckbereich -25 kPa bis +10 kPa. Damit können Differenzdrücke, wie sie im Bereich der druckbasierten Luftmassenmessung vorherrschen, eingestellt werden, so dass der Prüfstand realistische bzw. praxisnahe Ergebnisse liefert.
Die Ansteuervorrichtung kann zum Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Prüfkammer ausgebildet sein. Entsprechend kann mit der Vorrichtung optional auch der Temperatureinfluss auf die Druckmessung der Drucksensoren untersucht werden.
Die Ansteuervorrichtung und die Auswerteschaltung können in einer Einheit, insbesondere in einem Rechner, integriert sein. Damit lässt sich eine zentrale Steuerung vorsehen, was den Aufbau vereinfacht.
Die Druckerzeugungsvorrichtung kann ein modularer Druckregler sein. Diese können den individuellen Anforderungen speziell angepasst werden. Es sind aber auch andere Vorrichtungen zur Druckerzeugung möglich. Wichtigste Randbedingung ist eine hinreichend gute Regelstabilität.
Die Auswerteschaltung kann zum Synchronisieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet damit den großen Vorteil die beiden Datenerfassungskanäle in zeitliche Übereinstimmung bringen zu können. Folglich ist eine exakte zeitliche Zuordnung der Messdaten gegeben. Außerdem ist es hierdurch möglich, in der späteren Verarbeitung der aufgezeichneten Messsignale, eine Laufzeitkompensation vorzunehmen. Dies kann zusätzlich Latenzen aus digitaler Signalverarbeitung und Filterung umfassen.
Die Vorrichtung kann ein Datenerfassungsmodul zur Aufnahme analoger oder digitaler Drucksensorausgangsdaten, je nach eingesetztem Referenzdrucksensortyp, aufweisen. Die Auswerteschaltung ist mit einer Schnittstelle des Datenerfassungsmoduls verbindbar. Das Datenerfassungsmodul ist zum Ausgeben eines Triggersignals ausgebildet. Die Synchronisation der Datenaufzeichnung von Prüflingen und Referenz kann somit per Triggersignal erfolgen.
Die Auswerteschaltung kann eine standardisierte Schnittstelle zum Übertragen der Messdaten von Referenzsensorik und Prüflingen enthalten.
Der zu prüfende Drucksensor befindet sich innerhalb einer Prüfkammer und ist mittels einer geeigneten Adaption an die Leitungen von erstem und zweitem Druckkanal angeschlossen.
Unter einer Prüfkammer kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine teilweise oder bevorzugt vollständig gegenüber der Umgebung abgeschlossene Kammer verstanden werden, innerhalb der mindestens ein vorbestimmter Druck und optional auch weitere Parameter, wie beispielsweise Temperatur, definiert einstellbar und insbesondere regelbar sind. Die Prüfkammer ist dabei derart dimensioniert, dass mindestens ein Drucksensor (Prüfling) darin angeordnet werden kann.
Unter einem Drucksensor kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensor verstanden werden, der zum Erfassen von Druck eines fluiden Mediums und insbesondere zum Erfassen von Differenzdrücken des fluiden Mediums ausgebildet ist.
Unter einem Referenzdrucksensor kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Drucksensor verstanden werden, der zum Erfassen von Druck eines fluiden Mediums und insbesondere zum Erfassen von Differenzdrücken des fluiden Mediums ausgebildet ist und dessen Messwerte als Referenzwerte für die Messwerte des Drucksensors von der Auswerteschaltung verarbeitet werden. Der Referenzdrucksensor kann auch durch eine Anordnung von Drucksensoren gebildet sein. Ferner kann es sich um einen Referenzdrucksensor mit Analog- oder Digitalausgang handeln.
Unter einer Ventilanordnung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung von Ventilen verstanden werden, mittels derer Druck eines fluiden Mediums auf mindestens zwei verschiedene Kanäle oder Leitungen verteilbar ist.
Unter einer Druckerzeugungsvorrichtung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, die ausgebildet ist, ein fluides Medium mit Druck zu beaufschlagen und dieses druckbeaufschlagte fluide Medium für weitere Verarbeitungen zur Verfügung zu stellen.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Funktionsweise mindestens eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Blockschaltbild einer Kommunikationsstruktur der Vorrichtung,
3 ein Blockschaltbild der Vorrichtung mit pneumatischen Tiefpassfilter und
4 bis 6 das Systemverhalten bei verschiedenen Drosselstellungen.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 10 zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors 12 mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Drucksensor 12 kann es sich beispielsweise um einen Drucksensor 14 für echte Differenzdruckmessung oder um einen druckbasierten Luftmassenmesser handeln.
Ist der Drucksensor 12 zum Erfassen eines Massenstroms basierend auf einer Druckdifferenz eines fluiden Mediums ausgebildet, sowie im konkreten Anwendungsfall der Erfindung, ergeben sich besonders hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit des Systems. Faktisch betrug die spezifizierte Minimaltoleranz der Prüflinge ±40 Pa. Die Ursache hierfür liegt im Messprinzip, welches einen massestromabhängigen Differenzdruck vorsieht.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Prüfkammer 16, die zum Aufnehmen mindestens eines Drucksensors 12 mit einem Drucksensorelement ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Prüfkammer 16 derart dimensioniert, dass genau ein Drucksensor, zwei Drucksensoren, drei Drucksensoren oder noch mehr Drucksensoren darin angeordnet werden können.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin einen Referenzdrucksensor 18 mit einem Referenzdrucksensorelement. Der Referenzdrucksensor muss eine Messdatenrate zulassen, die eine ausreichend hohe Auflösung des zu messenden Drucksignals erlaubt. Das wesentliche Auslegungskriterium ist hier die zu erwartende Druckschwankung in der Prüfstrecke. Gemäß des nyquistshannonschen Abtasttheorems muss die Abtastfrequenz mindestens doppelt so groß sein, wie der größte zu erfassende Frequenzanteil im Prüfdruck. Der Referenzdrucksensor kann sowohl ein digitales als auch ein analoges Ausgangssignal aufweisen.
Der Referenzdrucksensor 18 kann Teil eines modularen Systems sein, welches die Aufnahme mehrerer Sensoren mit frei wählbaren Druckbereichen erlaubt. Der Referenzdrucksensor 18 soll dabei nicht auf Sensoren eines bestimmten Herstellers beschränkt sein. Das modulare System zur Aufnahme von Referenzdrucksensoren sollte die Hinterlegung von Kalibrierdaten zur Justage bzw. Kennlinienkorrektur der einzelnen Referenzsensoren erlauben. Das modulare System zur Aufnahme von Referenzdrucksensoren soll einen Triggerausgang zur Synchronisation mit anderen Messgeräten aufweisen.
Genau so kann der Referenzsensor 18 aber auch ein analoger oder digitaler stand-alone Sensor sein, dessen Ausgangssignal mittels eines proprietären Datenerfassungssystems aufgenommen wird. Auch hier sollte die Hinterlegung von Kalibrierdaten zur Justage bzw. Kennlinienkorrektur der einzelnen Referenzsensoren möglich sein. Ebenso soll das Datenerfassungssystem einen Triggerausgang zur Synchronisation mit anderen Messgeräten aufweisen.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Druckerzeugungsvorrichtung 20 zum Erzeugen eines vorbestimmten Drucks. Die Druckerzeugungsvorrichtung 20 ist mittels einer ersten Leitung 22 und einer zweiten Leitung 24 sowohl mit der Prüfkammer 16 als auch dem Referenzdrucksensor 18 verbunden. Die Druckerzeugungsvorrichtung 20 kann als modularer Druckregler ausgeführt sein. Es sind aber auch andere Druckerzeuger denkbar, die sich zu Integration in ein vollautomatisiertes System eignen. Die Druckerzeugungsvorrichtung 20 verwendet ein gasförmiges Medium zur Druckerzeugung.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Ventilanordnung 26. Die Ventilanordnung 26 ist mit der ersten Leitung 22 und der zweiten Leitung 24 derart verbunden, dass jeweils an dem Drucksensorelement und dem Referenzdrucksensorelement mittels der ersten Leitung 22 ein erster Soll-Druck und mittels der zweiten Leitung 24 ein zweiter Soll-Druck unabhängig voneinander einstellbar ist. Die Ventilanordnung 26 ist zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung 20 und der Prüfkammer 16 angeordnet. Mit anderen Worten verlaufen die erste Leitung 22 und die zweite Leitung 24 durch die Ventilanordnung 26.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Ansteuervorrichtung 28. Die Ansteuervorrichtung 28 ist zum Steuern der Druckerzeugungsvorrichtung 20 und zum Steuern der Ventilanordnung 26 zum Einstellen des ersten Soll-Drucks und des zweiten Soll-Drucks ausgebildet. Die Ansteuervorrichtung 28 ist zu diesem Zweck mit der Druckerzeugungsvorrichtung 20 verbunden bzw. kommuniziert mit dieser. Die Ansteuervorrichtung 28 ist weiterhin mittels Klemmen 30, wie beispielsweise sogenannter E/A-Klemmen, mit der Ventilanordnung 26 verbunden bzw. kommuniziert mit dieser.
Der erste Soll-Druck und der zweite Soll-Druck können jeweils in einem Bereich von 0 kPa bis 1000 kPa liegen. Eine Differenz zwischen dem ersten Soll-Druck und dem zweiten Soll-Druck kann sich im Bereich von -1000 kPa bis +1000 kPa befinden. Bei der konkreten Umsetzung der Vorrichtung 10 lassen sich erster und zweiter Soll-Druck zwischen 0 kPa und 650 kPa regeln. Die Differenz zwischen beiden Solldrücken kann im Bereich von -25 kPa bis +10 kPa variiert werden.
Die Ansteuervorrichtung 28 ist weiterhin zum Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Prüfkammer 16 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Ansteuervorrichtung 28 mit der Prüfkammer 16 verbunden bzw. kommuniziert mit dieser.
Die Vorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Auswerteschaltung 32 zum Erfassen eines Messsignals, das einen Differenzdruck (Istdruck erste Leitung 22 - Istdruck zweite Leitung 24) an dem Drucksensorelement angibt, und eines weiteren Messsignals, das einen Differenzdruck (Istdruck erste Leitung 22 - Istdruck zweite Leitung 24) an dem Referenzdrucksensorelement angibt.
So ist die Auswerteschaltung 32 mit dem Referenzdrucksensor 18 verbunden. Weiterhin ist die Auswerteschaltung 32 mittels einer Schnittstelle 34 mit dem Drucksensor 12 verbunden. Die Ansteuervorrichtung 28 und die Auswerteschaltung 32 sind in einer Einheit 36, wie beispielsweise in einem Rechner, integriert. Es wird jedoch explizit betont, dass die Ansteuervorrichtung 28 und die Auswerteschaltung 32 als separate Bauteile vorliegen können.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer Kommunikationsstruktur der Vorrichtung 10. Die Auswerteschaltung 32 kommuniziert mit einem Druckerfassungsmodul 38, das mit dem Referenzdrucksensor 18 verbunden ist. Das Druckerfassungsmodul 38 ist beispielsweise ein sogenanntes Pressure Streaming Module. Das Druckerfassungsmodul 38 ist zum Austauschen von Daten ausgebildet, die beispielsweise im RS-232 Standard bzw. Protokoll oder einem anderen Schnittstellentyp übertragen werden. Die Auswerteschaltung 32 ist mittels der Schnittstelle 34 mit dem Drucksensor 12 verbindbar bzw. verbunden. Die Schnittstelle 34 ist beispielsweise eine Schnittstelle zur Erfassung von Daten, die im SENT-Standard oder einem anderen Schnittstellentyp übertragen werden. Die Auswerteschaltung 32 weist eine PC-Schnittstelle 40 zum Übertragen des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals auf. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Ethernet-Schnittstelle handeln. Die PC-Schnittstelle 40 ist mit dem Druckerfassungsmodul 38 und der Schnittstelle 34 verbunden bzw. kommuniziert mit diesen. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, ist die Auswerteschaltung 32 zum Synchronisieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ausgebildet. Das Druckerfassungsmodul 38 ist zum Ausgeben eines Trigger-Impulses 42 an die Schnittstelle 34 ausgebildet.
Bei der Vorrichtung 10 sind der Prüfling in Form des Drucksensors 12 und der Referenzdrucksensor 18 an das pneumatische System angeschlossen und erfassen den von der Druckerzeugungsvorrichtung 20 vorgegebenen Prüfdruck. Sowohl der zu prüfende Drucksensor 12 als auch der Referenzdrucksensor 18 liefern die Druckwerte als digitales Ausgangssignal. Dieses wird im Fall des Referenzdrucksensor 18 vom Druckerfassungsmodul 38 und im Fall des Drucksensors 12 durch die eigene Schnittstelle 34 erfasst und mittels UDP-Streaming via die Ethernet-Schnittstelle 40 an die Auswerteschaltung 32 in dem Rechner 36 übertragen. Der große Vorteil ist jedoch die Synchronisation der beiden Datenerfassungskanäle per Trigger-Impuls 42. Hierbei tritt das Druckerfassungsmodul 38 als Master auf. Sobald das Modul den Befehl zur Datenaufzeichnung erhält, wird ein Triggerausgang auf „High-Pegel“ gesetzt. Dieser Pegel bleibt bestehen, bis die Messung beendet ist. Somit ergibt sich ein Trigger-Fenster mit dem die Datenerfassung des Drucksensors 12 synchronisiert werden kann. Die Schnittstelle 34 des Drucksensors 12 erfasst nur so lange Daten wie der „High-Pegel“ vom Druckerfassungsmodul 38 ansteht. Mit dieser Verfahrensweise können Prüflings- und Referenzdaten in zeitliche Übereinstimmung gebracht werden, was einen großen Vorteil bei der Messdatenverarbeitung mit sich bringt.
3 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung 10 mit pneumatischen Tiefpassfilter 44, 46. Genauer ist in der ersten Leitung 22 ein erster pneumatischer Tiefpassfilter 44 und in der zweiten Leitung 24 ein zweiter pneumatischer Tiefpassfilter 46 angeordnet. Der erste pneumatische Tiefpassfilter 44 und der zweite pneumatische Tiefpassfilter 46 können Teil der Ventilanordnung 26 sein. Der erste pneumatische Tiefpassfilter 44 ist beispielsweise direkt an den Ausgang der ersten Leitung 22 an der Druckerzeugungsvorrichtung 20 geschaltet. Der zweite pneumatische Tiefpassfilter 46 ist direkt an den Ausgang der zweiten Leitung 24 an der Druckerzeugungsvorrichtung 20 geschaltet. Wie dargestellt, ist der erste pneumatische Tiefpassfilter 44 mit dem Drucksensor 12, mit dem Referenzdrucksensor 18 als auch mit einem Volumen der Prüfkammer 16 verbindbar. Wie weiterhin dargestellt, ist der zweite pneumatische Tiefpassfilter 46 mit dem Drucksensor 12, mit dem Referenzdrucksensor 18 als auch mit dem Volumen der Prüfkammer 16 verbindbar. Der erste Tiefpassfilter 44 umfasst einen ersten Druckspeicher 48, eine erste Drossel 50 sowie einen zweiten Druckspeicher 51. Der zweite Tiefpassfilter 46 umfasst einen dritten Druckspeicher 52, eine zweite Drossel 54 sowie einen vierten Druckspeicher 55.
Bei der Vorrichtung 10 wird die Erzeugung des Differenzdruckes auf die Regelung zweier Absolutdrücke zurückgeführt. Dementsprechend gibt es prinzipiell zwei Varianten den Prüfdruck bereitzustellen.
Eine Möglichkeit zur Umsetzung der Druckerzeugung besteht in der Verwendung von zwei vollautomatischen Druckwaagen (Primärnormale).
Die zweite Möglichkeit sieht den Einsatz von Druckreglern vor, wobei es sich um einen modularen Druckregler mit zwei Regelkanälen handeln kann. Ebenso ist die Verwendung zweier getrennter Druckregler, einer pro Leitung, möglich.
Die Vorrichtung 10 gemäß der Erfindung nutzt als Druckerzeugungsvorrichtung 20 einen modularen Druckregler, der auch als Druckcontroller bezeichnet werden kann. Ein potentieller Nachteil der Regelung mittels Druckcontroller besteht in der spezifizierten Regelstabilität. Hierunter versteht man die verbleibende Regelschwankung im System. Sie ist systembedingt und abhängig vom Nenndruck des Druckreglers. Der Nenndruck des Druckreglers beträgt beispielsweise 650 kPa. Damit ergibt sich, bei einer spezifizierten Regelstabilität von 0,003 % des Nenndrucks, pro Leitung bzw. Kanal eine Regelstabilität von 19,5 Pa. Die Erfindung nutzt für die Erzeugung des Differenzdruckes zwei getrennte Regelkanäle. Damit verdoppelt sich der Wert der Regelschwankungen im System, im vorliegenden Beispiel, auf 39 Pa.
Betrachtet man die Toleranzanforderung an die Differenzdruckmessung, die zu Entwicklungsbeginn bei 80 Pa lag, erkennt man, dass die zu erwartenden Regelschwankungen in der gleichen Größenordnung liegen wie die Toleranzanforderung. Der maximal zulässige Fehler der Vorrichtung 10 wurde zu Entwicklungsbeginn auf ca. 8 Pa festgelegt. Es ist leicht nachvollziehbar, dass dieser Anspruch, bei derart großen Druckschwankungen, nicht einzuhalten ist. Maßnahmen zur Dämpfung der Instabilität sind somit unabdingbar.
Zur Dämpfung der Regelschwankungen werden die pneumatischen Tiefpassfilter 44, 46 verwendet, wie in 3 gezeigt ist. Wie in 3 zu erkennen ist, kann der Durchfluss der Drosseln 50, 54 verändert und so die Filtereigenschaften angepasst werden.
Betrachtet man ein Ersatzschaltbild eines Regelkanales, wird die Funktionsweise der Schaltung verständlich. Wie allgemein bekannt ist, lässt sich eine pneumatische Schaltung als elektrisches Ersatzschaltbild darstellen. Volumina werden als elektrische Kapazitäten, Strömungswiderstände als elektrische Widerstände dargestellt. Schlauch- oder Rohrleitungen haben sowohl kapazitive als auch strömungshemmende Eigenschaften.
Somit ergibt sich aus Leitungswiderständen und ersten Druckspeicher 48 sowie eines Strömungsbegrenzers in Form einer einstellbaren Drossel 50 und eines weiteren, zweiten Druckspeichers 51 ein mehrstufiger Filter.
Vereinfacht lässt sich die Funktion der Filterstufe wie folgt erklären. Aus regelungstechnischen Gesichtspunkten darf der Durchfluss direkt am Ausgang des Druckreglers nicht zu stark eingeschränkt werden, weshalb ein erster Druckspeicher 48 angeschlossen ist. Dieser wirkt, in Verbindung mit dem Leitungswiderstand wie ein erster Tiefpassfilter. Die prüflingsseitig angeordnete, einstellbare Drossel 50 bildet im Zusammenspiel mit dem zweiten Druckspeicher 51 und dem Leitungsvolumen einen weiteren Tiefpassfilter. Somit kann man in Gesamtheit von einem mehrstufigen Filter 44 sprechen, welcher die Druckschwankungen im System dämpft. Die Filterkonstante des Tiefpassfilters 44 kann durch die Größe der Puffervolumina sowie der Drosseleinstellung beeinflusst werden.
Auch bei der Auswahl der Referenzdrucksensorik bestehen zwei Möglichkeiten. Einerseits kann auf integrierte Druckmessgeräte gesetzt werden, die als gekapseltes System fungieren. Andererseits ist der Einsatz von Stand-Alone Drucksensoren möglich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde eine Kombination aus beiden Alternativen umgesetzt, um möglichst alle Vorteile nutzen zu können. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der Erfindung ein modulares Datenerfassungssystems 38 für Drucksensoren entwickelt.
Der Referenzdrucksensor 18, welcher sich im Datenerfassungssystem 38 befindet, besitzt zwei Modi zur Kommunikation, die per Kommando über die serielle Schnittstelle direkt am Referenzdrucksensor 18 umgeschaltet werden können. Im vorliegenden Fall wird der sogenannte „Burst Mode“ genutzt, in dem der Referenzdrucksensor 18 unablässig Druckdaten liefert. Die Datenrate ist beim gewählten Referenzdrucksensor konfigurierbar, im Bereich von ca. 4 Hz bis etwa 250 Hz.
Das Druckdatenerfassungssystem 38 empfängt die Druckwerte vom Referenzdrucksensor 18, ordnet jedem Messwert einen hardwarebasierten Zeitstempel zu und stellt das Wertepaar auf der Ethernet-Schnittstelle 40 zur Verfügung. Das Druckerfassungsmodul 38 in Form des Pressure Streaming Module kann in der aktuellen Ausbaustufe bis zu zwölf Drucksensoren mit digitaler Schnittstelle aufnehmen, wobei einer Erweiterung im Prinzip nur der verfügbare Bauraum im Wege steht. Ein großer Vorteil, welcher bei der Entwicklung des Druckdatenerfassungssystems beachtet wurde, ist die Systemoffenheit. Hierunter versteht sich die Nutzbarkeit des Systems für Sensoren unterschiedlicher Signalausgangs-Typen und Hersteller. Mit der entwickelten Systemarchitektur ist es möglich sensorbezogene Kalibrierdaten zur Kennlinienkorrektur im Druckdatenerfassungssystem 38 zu hinterlegen. Dabei sind auch mehrdimensionale Kennfelder denkbar, wie sie in der vorliegenden Prüfapplikation mit ggf. absolutdruckabhängigen Differenzdrücken vorliegen. Das System ist in der Lage ein Triggersignal auszugeben. Damit können andere Messsysteme synchronisiert werden. Das Druckerfassungsmodul 38 in Form des Pressure Streaming Module kann ohne großen Aufwand in ein Prüfsystem integriert werden. Die Kommunikation erfolgt via Ethernet per UDP-Streaming.
Wie vorhergehend beschrieben, stehen nach der Datenaufzeichnung Messwerte von dem Drucksensor 12 und dem Referenzdrucksensor 18 zur Verfügung, die zwar zeitlich synchron erfasst wurden, aber aufgrund zweier unterschiedlicher Erfassungskanäle mit verschiedenen Zeitbasen versehen sind und zudem unterschiedliche Abtastraten aufweisen. Weiterhin kann ein Laufzeitversatz zwischen den Signalen von Prüflingen und Referenz vorliegen.
Mit dem Ziel die Drucksignale von dem Drucksensor 12 und dem Referenzdrucksensor 18 im Zeitbereich verrechnen zu können, muss zunächst die Zeitachse angeglichen werden. Bevor dies jedoch geschieht, werden die Rohdaten beider Kanäle gefiltert. Hier kommt im Algorithmus ein FIR-Filter zum Einsatz, der sich im Vergleich mit anderen Filtern als am besten geeignet erwiesen hat. Es wird jedoch betont, dass auch andere Filter zum Einsatz kommen können. Die Filtertiefe ist so angepasst, dass für die auftretenden Sampleraten die gleiche Grenzfrequenz erreicht wird. Im nächsten Schritt kann dann die Abtastrate der beiden Signale angeglichen werden. Hierfür wird ein sogenanntes „Upsampling-Verfahren“ durchgeführt, das auf der mathematischen Funktion der Interpolation basiert. Dabei werde für das niederfrequenter abgetastete Signal, das in diesem Fall jenes vom Referenzdrucksensor 18 ist, Druckwerte an den Abtastzeitpunkten des höher abgetasteten Signals berechnet. Im vorliegenden Algorithmus wird die Berechnung der neuen Druckwerte mittels linearer Interpolation durchgeführt. Im gleichen Zuge kann eine Laufzeitkompensation der beiden Signale vorgenommen werden.
Nach diesem Berechnungsschritt liegen das Messsignal von dem Drucksensor 12 und dem Referenzdrucksensor 18 mit exakt gleicher Zeitbasis vor. Nun kann die Abweichung zwischen dem Messsignal von dem Drucksensor 12 und dem Referenzdrucksensor 18 im Zeitbereich wie folgt berechnet werden:

dp_diff(t) = dp_DUT(t) - dp_REF(t), wobei dp_DUT(t) das den Druck am Drucksensor 12 anzeigende zeitliche Messsignal ist und dp_REF(t) das den Druck am Referenzdrucksensor 18 anzeigende zeitliche Messsignal ist.

Anschließend wird der arithmetische Mittelwert über alle Punkte des Differenzsignals [dp_diff(t)] wie folgt gebildet: $Δ p_{diff} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} p_{diff, i}$
Dieser Einzelwert stellt letztendlich das Bewertungskriterium für den jeweiligen Prüfling dar und muss innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegen.
Wie oben bereits beschrieben wurde, sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, Maßnahmen zur Dämpfung der systembedingten Druckschwankungen vorgesehen. Nachfolgend soll kurz dargestellt werden, wie sich Veränderungen an der entwickelten Filterstufe auf deren Eigenschaften und damit auf die verbleibende Regelschwankung auswirken. Konkret wurde die Einstellung der verbauten Drosseln 50, 54 variiert.
Die in den nachfolgenden Ausführungen gezeigten bzw. erläuterten Effekte wurden jeweils bei einem Absolutdruck (statischer Leitungsdruck) von 450 kPa und einem Differenzdruck von -16 kPa aufgenommen. Bis auf die variierten Drosselstellungen, waren alle weiteren Einstellmöglichkeiten in beiden Versuchen identisch. Die Durchflussmenge wird über einen Drehknopf eingestellt, an welchen eine Einstellskala zur Reproduzierbarkeit der Einstellungen angebracht ist. Der Einstellbereich reicht von 0 (max. Durchfluss) bis 10 (min. Durchfluss).
Die 4 zeigt anhand von einem Diagramm das Systemverhalten bei Drosselstellung 0 und somit dem maximal möglichen Durchfluss. Die 5 zeigt anhand von einem Diagramm das Systemverhalten bei Drosselstellung 4. Die 6 zeigt anhand von einem Diagramm das Systemverhalten bei Drosselstellung 6. Auf der linken Ordinate ist immer der Differenzdruck und auf der rechten Ordinate die Abweichung zwischen Drucksensor 12 und Referenzdrucksensor 18 dargestellt. Abgebildet sind jeweils die gemessenen Differenzdruckverläufe von Drucksensor 12 und Referenzdrucksensor 18 sowie die Abweichung zwischen beiden Signalen. Die Kurve 56 gibt den Verlauf des Differenzdrucks des Drucksensors 12 an. Die Kurve 58 gibt den Verlauf des Differenzdrucks des Referenzdrucksensors 18 an. Die Kurve 60 gibt jeweils den Verlauf der Abweichung zwischen Drucksensor 12 und Referenzdrucksensor 18 an.
Wie sehr gut anhand der 4 bis 6 zu erkennen ist, nimmt mit zunehmender Verengung der Drosseln 50, 54 die verbleibende Regelschwankung der beiden Differenzdruckverläufe 56, 58 ab. Während die Differenzdrücke bei maximalem Durchfluss noch einen Schwankungsbereich von 20 Pa zeigen, sinkt dieser mit zunehmender Verringerung des Leitungsquerschnittes auf ca. 2,5 Pa. Deutlich sichtbar ist auch, dass sich der Differenzverlauf 60 mit sinkendem Durchflusswert „stabilisiert“, was der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse zu Gute kommt. Dabei zeigt sich, dass vor allem schnelle Druckänderungen zu großen Abweichungen im Differenzverlauf 60 führen. Dies ist in den unterschiedlichen Ansprechzeiten von Drucksensor 12 und Referenzdrucksensor 18 begründet. Ziel muss somit sein, vor allem schnelle Druckänderungen zu dämpfen.
In Folge einer Prüfvorschrift, die eine echte Differenzdruckprüfung bei unterschiedlichen statischen Leitungsdrücken vorgibt, ist die Auswahl an Referenzdruckaufnehmern bzw. Referenzdrucksensoren 18 für die Differenzdruckmessung sehr beschränkt. Unabhängig davon ist ein Messdatenerfassungssystem erforderlich, dass die oben genannten Entwicklungsziele erfüllt. Im Ausgangszustand, der ohne das neu entwickelte Messdatenerfassungssystem mit dem Druckerfassungsmodul 38 in Form des Pressure Streaming Module ist, zeigt der Drucksensor 12 die vorherrschenden Druckschwankungen im System, während der Referenzdrucksensor 18 ein nahezu stabiles Drucksignal liefert. Ursache ist zum einen die starke Mittelung, die herstellerseitig vorgegeben ist und nur geringfügig abgemildert werden kann. Außerdem spielt hier die geringe Abtastrate von ca. 3 Hz eine Rolle, mit der der tatsächliche Druckverlauf nicht abgebildet werden kann. Als Folge ergeben sich schlechte Reproduzierbarkeiten. Der Messprozess ist nicht fähig.
Fourieranalysen der vorherrschenden Druckschwankungen haben ergeben, dass die relevanten Frequenzanteile im Amplitudenspektrum im Bereich unter 20 Hz liegen. Das wiederum bedeutet, dass die Abtastrate der Referenzsensorik eine bestimmte Bedingung, entsprechend des Nyquist-Shannon Abtasttheorems erfüllen muss.
Mit Hilfe der Erfindung konnte die Abtastrate des Referenzdrucksensors 18 auf ca. 250 Hz gesteigert werden, was einer bestmöglichen Signalauflösung zu Gute kommt. Dabei kann das entwickelte System aus Druckerfassungsmodul 38 in Form des Pressure Streaming Module und Referenzdrucksensor 18 die Signalschwankungen, wie sie der Drucksensor 12 mit einer Abtastrate von etwa 1200 Hz erfasst, sehr gut abbilden. Weiterhin haben Kalibrierungen des Referenzmesssystems, d.h. Streaming Modul inklusive Referenzdrucksensor 18, bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) ergeben, dass die vom Hersteller angegebenen Maximalfehler nicht überschritten werden.
Wie oben bereits beschrieben, wurde bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung großer Wert auf die Synchronisation der Messdaten gelegt. Messungen zeigen Schwankungen im Signal des Druckverlaufs, wobei die Signalreihen zeitlich synchron zueinander laufen. Resultierend daraus ergibt sich ein hinreichend stabiler Verlauf der Differenz zwischen Drucksensor 12 und Referenzdrucksensor 18, was der Wiederholbarkeit der Prüfergebnisse zu Gute kommt.
Oben wurde bereits erläutert, dass die Rohdaten vor der Weiterverarbeitung gefiltert werden. Auch hier lässt sich durch die Wahl eines geeigneten Filteralgorithmus entscheidend zur Qualität bzw. zur Fähigkeit des Messprozesses beitragen. Bei einer Messung, die beispielsweise den zeitlichen Druckverlauf bei 0 kPa Differenzdruck zeigt und sowohl die gefilterten als auch die ungefilterten Druckwerte darstellt, zeigt der Verlauf der Rohwerte die Quantisierungsstufen des Differenzdruckaufnehmers bzw. Drucksensors 12. Nach Filterung ergibt sich ein geglätteter Signalverlauf, der die niederfrequenten Druckänderungen, die zur Bewertung des Drucksensors 12 wichtig sind, sehr gut abbildet.
Das normierte Amplitudenspektrum des Rohdatensignals vom Drucksensor 12 zeigt, dass der größte Frequenzanteil nahe 0 Hz liegt, was zu erwarten war, da ein möglichst schwingungsarmes, niederfrequentes Signal von der Druckerzeugung vorgegeben wird. Ferner ist daraus zu erkennen, dass es im Spektrum eine Überhöhung bei ca. 100 Hz gibt. Diese Erscheinung ist auf das Schwanken des zeitlichen Signals des Drucksensors 12, zwischen den diskreten Quantisierungsstufen, zurückzuführen. Nach Filterung sind die Frequenzanteile über 20 Hz deutlich gedämpft, während die relevanten Frequenzanteile in Richtung 0 Hz weiterhin vorhanden sind.
Der Nachweis der Messprozessfähigkeit, bezüglich Lage und Streuung der Messwerte im Toleranzfeld dieses Merkmals, ist eine Grundvoraussetzung zur Freigabe der Vorrichtung 10. Dabei wird ein kalibriertes Normal wiederholt gemessen, d.h. 50 Mal und mindestens 25 Mal. Aus den Messwerten wird die Abweichung vom Referenzwert und die Standardabweichung ermittelt. Daraus werden im Anschluss der potentielle Fähigkeitsindex C_g und der kritische Fähigkeitsindex C_gk berechnet.
Nachfolgend wird aufgezeigt, welche Ergebnisse beim Fähigkeitsnachweis zur Freigabe der Vorrichtung 10 erreicht wurden.
Vorgabe war, dass die Messungen mit einem kalibrierten Normal durchzuführen sind. Dabei konnte im vorliegenden Fall nicht auf ein Erzeugnisteil zurückgegriffen werden, da diese die Anforderungen an Eindeutigkeit sowie Langzeitstabilität nicht erfüllen. Das Normal, welches bei den Messungen zum Fähigkeitsnachweis verwendet wurde, ist eine Eigenentwicklung der Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH. Dabei handelt es sich im Kern um ein Druckmodul, wie es auch im Pressure Streaming Module, zur Referenzdatenerfassung, zum Einsatz kommt. Darüber hinaus wird ein Microcontroller genutzt um das sensoreigene Datenprotokoll in ein SENT-Protokoll zu wandeln, wie es auch die Prüflinge in Form von Drucksensoren 12 ausgeben. Beide Komponenten bilden gemeinsam ein gekapseltes System, das am Prüfstand exakt wie ein Drucksensor 12 betrieben werden kann. Auch die Auflösung des Digitalsignals wurde an die der Drucksensoren 12 angepasst, um nicht für eine ungewollte Verbesserung der Randbedingungen zu sorgen.
Die Messungen zum Fähigkeitsnachweis der Differenzdruckprüfung wurden bei zwei unterschiedlichen Absolutdruckwerten von 100 kPa und 450 kPa durchgeführt. Die Fähigkeitdsindizes C_g, C_gk, welche zur Bewertung herangezogen werden, berechnen sich wie folgt: $C_{g} = \frac{0,2 * T}{6 * s}$
und $C_{gk} = \frac{0,1 * T - | \bar{x} - x_{m} |}{3 * s}$
wobei T die Toleranz ist, s die Standardabweichung ist, x der Mittelwert ist und x_m der Referenzwert des Normals ist.
Als Mindestanforderung ist für beide Fähigkeitdsindizes ein Wert von 1,33 zu erreichen. Nachfolgend sind die Ergebnisse der Untersuchungen tabellarisch dargestellt. Tabelle 1

Prüfdrücke in kPa

p_abs = 2 0 -3 -6 -10 -16 -10 -6 -3 0

100 kPa C_g 3,33 2,49 2,45 2,48 5,26 4,64 4,59 3,24 2,57 2,17

C_gk 2,80 2,23 2,24 2,12 4,31 3,42 3,71 2,98 2,43 1,90

Tabelle 2

p_abs = 450 kPa Prüfdrücke in kPa

2 0 -3 -6 -10 -16 -10 -6 -3 0

C_g 4,53 5,72 4,20 5,49 6,54 4,95 5,97 8,47 6,73 4,75

C_gk 3,86 5,45 3,78 5,25 6,13 4,71 5,60 7,82 6,51 4,72
Wie zu erkennen ist, wird der Sollwert von 1,33 in jedem der Punkte deutlich überschritten. Damit ist der Fähigkeitsnachweis für den Messprozess erbracht. Der potentielle Fähigkeitsindex C_g stellt ein Maß für die Streubreite der Messwerte im Vergleich zur Toleranzbreite dar. Der Sollwert von 1,33 wird erreicht, wenn die Gesamtstreuung der Messwerte (±3s =̂ 99,73% der Grundgesamtheit) nicht mehr als ¾ von 10 % der Toleranz ausschöpft. Beim kritischen Fähigkeitsindex C_gk wird neben der Streubreite der Messwerte auch die systematische Messabweichung zwischen Mittelwert der Messwerte und Kalibrierwert berücksichtigt.
Ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung eines neuen Prüfstandes ist die Robustheit des Systems gegenüber Störeinflüssen. Im hier beschriebenen Messverfahren für Differenzdruckprüfungen bei statischem Leitungsdruck (echte Differenzdruckmessung) wurden zwei kritische Einflussfaktoren identifiziert, die der Fähigkeit des Prüfprozesses entgegenwirken könnten. Dies ist zum einen die Alterung des Referenzdruckaufnehmers bzw. Referenzdrucksensors 18 in Folge der Vielzahl an Druckwechseln innerhalb eines Kalibrierzeitraumes. Hierdurch kann sich ein Steigungsfehler in der Ausgangskennlinie ergeben, der zu schleichend größer werdenden systematischen Abweichungen führt. Die Ergebnisse der Fähigkeitsanalysen haben ergeben, dass der entwickelte Messprozess robust gegenüber diesem Störeinfluss ist. Offsetfehler des Referenzdrucksensors 18 sind kein vordergründiges Problem, da vor jeder Differenzdruckmessung eine Tarierung vorgenommen wird (Tarierung nur Referenzsensor). Perspektivisch wird es nach dem „Check the Checker“-Prinzip eine Überwachung des Referenzdrucksensors 18 geben, die Auffälligkeiten meldet und zur Rekalibrierung auffordert.
Zum anderen ist die Leckage im System ein möglicher Störeinfluss. Diese kann sich beispielsweise in Folge sukzessiver Alterung von Dichtelementen erhöhen und potentiell zu vergrößerter Streuung der Messergebnisse oder zu systematischen Abweichungen führen. Vor Langzeitmessungen über mehrere Temperaturpunkte wird daher generell eine Dichtheitsprüfung des Systems vorgenommen. Bei kurzen Funktionsprüfungen wird nur in gewissen Intervallen auf Leckagen getestet. Grenzwertüberschreitungen rufen eine Fehlermeldung hervor. Trotz dieser „Sicherungsmaßnahmen“ wurde der Messprozess auf Robustheit gegenüber Leckagen untersucht.
Hierfür kann ein Leckkalibrator (ATEQ) zum Einsatz kommen. Das Gerät wird üblicherweise zur Kalibrierung von Leck- oder Durchflussmessgeräten verwendet. Zur Analyse des Differenzdruckmessprozesses wird das Gerät an Vorrichtung 10 angeschlossen. Wahlweise erfolgte der Anschluss an den ersten Regelkanal oder den zweiten Regelkanal.
Bei Auslastung der Vorrichtung mit der maximal möglichen Anzahl an Prüflingen bzw. Drucksensoren 12 ist mit einer größtmöglichen Leckage von 8,0 ml/min bei einem Leitungsdruck pabs = 450 kPa zu rechnen. Die Untersuchungen zur Robustheit des Messprozesses wurden bei einer Leckage von 25,0 ml/min durchgeführt. Der Durchflusswert wurde mittels einstellbarer Drossel am Ausgang des Leckkalibrators eingestellt. Zur Analyse wurden Wiederholmessungen bei unterschiedlichen Leitungs-drücken mit unveränderter Drosseleinstellung vorgenommen.
Im Ergebnis stellt sich auch das Thema Leckage als unkritisch für den entwickelten Messprozess dar. Die Auswertungen haben ergeben, dass sich weder Streuung noch systematische Abweichung der Messergebnisse signifikant erhöhen. Hierbei zeigt sich, dass sich weder die systematische Abweichung noch die Streuung der Messwerte erhöht.
Perspektivisch ist die Erfindung auch für weitere Erzeugnisse im Bereich der Drucksensorik einsetzbar, die eine echte Differenzdruckmessung erfordern. Voraussetzung ist, dass ein gasförmiges Medium zur Druckerzeugung verwendet wird. Dabei muss nicht zwangsläufig die Gesamtheit der hier beschriebenen Optimierungen zum Einsatz kommen. Je nach Verbesserungsbedarf kann auch auf Einzelmaßnahmen zurückgegriffen werden. Treiber können dabei sowohl erhöhte Anforderungen an Genauigkeit als auch die Verbesserung der Nutzbarkeit von vorhandenen Prüfständen sein. Ebenso sind Einzelmaßnahmen für andere Drucksensortypen umsetzbar.

Claims

Vorrichtung (10) zur Funktionskontrolle mindestens eines Drucksensors, insbesondere Funktionskontrolle mit Erzeugung und hochgenauen Rückmessung von echten Differenzdrücken, umfassend eine Prüfkammer (16), die zum Aufnehmen mindestens eines Drucksensors (12) mit einem Drucksensorelement ausgebildet ist, einen Referenzdrucksensor (18) mit einem Referenzdrucksensorelement, eine Druckerzeugungsvorrichtung (20) zum Erzeugen eines vorbestimmten Drucks, wobei die Druckerzeugungsvorrichtung (20) mittels einer ersten Leitung (22) und einer zweiten Leitung (24) mit der Prüfkammer (16) und dem Referenzdrucksensor (18) verbunden ist, eine Ventilanordnung (26), die mit der ersten Leitung (22) und der zweiten Leitung (24) derart verbunden ist, dass jeweils an dem Drucksensorelement und dem Referenzdrucksensorelement mittels der ersten Leitung (22) ein erster Soll-Druck und mittels der zweiten Leitung (24) ein zweiter Soll-Druck unabhängig voneinander einstellbar ist, eine Ansteuervorrichtung (28), die zum Steuern der Druckerzeugungsvorrichtung (20) zum Einstellen des vorbestimmten Drucks und zum Steuern der Ventilanordnung (26) zum Einstellen des ersten Soll-Drucks und des zweiten Soll-Drucks ausgebildet ist, und eine Auswerteschaltung zum Erfassen eines ersten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Drucksensorelement angibt, und eines zweiten Messsignals, das einen ersten Ist-Druck und einen zweiten Ist-Druck an dem Referenzdrucksensorelement angibt.
Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ventilanordnung (26) zwischen der Druckerzeugungsvorrichtung (20) und der Prüfkammer (16) angeordnet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Soll-Druck und der zweite Soll-Druck jeweils in einem Bereich von 0 kPa bis 1000 kPa ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Soll-Druck und dem zweite Soll-Druck in einem Bereich von -1000 kPa bis +1000 kPa ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuervorrichtung (28) zum Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Prüfkammer (16) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuervorrichtung (28) und die Auswerteschaltung (32) in einer Einheit (36), insbesondere in einem Rechner, integriert sind.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckerzeugungsvorrichtung (20) als ein modularer Druckregler ausgeführt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (32) zum Synchronisieren des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteschaltung (32) ein Druckerfassungsmodul (38) aufweist, das mit dem Referenzdrucksensor (18) verbunden ist, wobei die Auswerteschaltung (32) mit einer Schnittstelle (34) des Drucksensors (12) verbindbar ist, wobei das Druckerfassungsmodul (38) zum Ausgeben eines Trigger-Impulses (42) an die Schnittstelle (34) des Drucksensors (12) ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteschaltung (32) eine standardisierte Schnittstelle (40) zum Übertragen des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (12) zum Erfassen eines echten Differenzdruckes ausgebildet ist, dessen Bezugsdruck vom Unterdruckbereich bis hin zu Überdrücken reichen kann.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (12) zum Erfassen eines Massenstroms eines fluiden Mediums, insbesondere Luftmassenstroms, ausgebildet ist.
Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Drucksensor (12) zum Erfassen des Massenstroms basierend auf einer Druckdifferenz des fluiden Mediums ausgebildet ist.