DE19531926C2

DE19531926C2 - Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals

Info

Publication number: DE19531926C2
Application number: DE19531926A
Authority: DE
Inventors: Edmund Freitag
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: US5623101A; DE19531926A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Differenzdruck-Meßumformer der gattungsgemäßen Art sind allgemein bekannt und beispielsweise in DE 35 12 529 beschrieben.

Durch vorgegebene Materialkonstanten weist das elektrische Signal S, das bei der Umsetzung der nichtelektrischen Größe Differenzdruck dp=p_1-p₂ als Differenz aus einem ersten Prozeßdruck p₁ und einem zweiten Prozeßdruck p₂ in eine elektrische Größe erzeugt wird, neben der beabsichtigten Abhängigkeit S₁=f(dp) unerwünschte Abhängigkeiten S₂=f(p) vom Absolutdruck p=(p₁+p₂)/2 und S₃=f(θ) von der Temperatur θ innerhalb des Differenzdruck-Meßumformers auf, so daß das elektrische Signal S=f(dp, p, θ) eine Funktion des Differenzdruckes dp des Absolutdruckes p und der Temperatur θ ist. Die Abhängigkeit des elektrischen Signals S von dem Absolutdruck p und der Temperatur θ verfälscht den jeweils umgesetzten Meßwert. Daher werden der Absolutdruck p und die Temperatur θ als Störgrößen bezeichnet, deren Kompensation im elektrischen Signal S allgemeines Anliegen der Erfindung ist.

Aus der EP 0 178 368 ist bekannt, ausgehend von einer Sensoranordnung mit einem Differenzdrucksensor, einem Temperatursensor und einem Sensor für den statischen Druck, ein korrigiertes Differenzdrucksignal durch lineare Polynomverknüpfung der drei an den Sensoren für Differenzdruck, Temperatur und statischen Druck abgreifbaren originären Meßsignalen zu berechnen. Dazu werden die Koeffizienten der Polynomfunktion, die gewichtete Funktionen der Temperatur und des statischen Druckes sind, in einem Festwertspeicher hinterlegt.

Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß ein Meßwert zur Korrektur verwendet wird, der selbst in Abhängigkeit zu weiteren Prozeßparametern steht. So wird der statische Druck, dessen temperaturabhängiger Meßwert selbst korrekturbedürftig ist, zur Korrektur des von der Temperatur und vom statischen Druck abhängigen Differenzdrucksignals verwendet, wodurch eine exakte Abbildung des tatsächlichen Differenzdruckes auf seinen korrigierten Meßwert verhindert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bekannte Korrekturverfahren zur Korrektur eines gemessenen, von der Temperatur und vom statischen Druck abhängigen Differenzdrucksignals weiterzuentwickeln, um eine genauere Abbildung des korrigierten Differenzdrucksignals auf den tatsächlichen Differenzdruck zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines an eine kapazitive Sensoreinrichtung angeschlossenen Differenzdruck-Meßumformers näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Strukturplan des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines an einer Sensoreinrichtung angeschlossenen Meßumformers

Die Erfindung geht aus von einer für sich bekannten Sensoreinrichtung 100, die prinzipiell in Fig. 2 geschnitten dargestellt ist. Ein Differenzdrucksensor 101 mit einer beweglichen Meßmembran 111 ist in einem Grundkörper 104 angeordnet und von einem Fluid 107 als Druckmittler umspült. Der Grundkörper 104 ist zwischen zwei Kappen 105, die jeweils einen Druckeinlaß 108 zur Zuführung der Prozeßdrücke p₁ und p₂ in eine Druckkammer 110 aufweisen, angeordnet. Die Druckkammern 110 sind mit jeweils einer Trennmembran 106 gegen das Fluid 107 abgeschlossen. Der Differenzdrucksensor 101 weist in seinem Innern sowie auf der Meßmembran 111 leitfähige Belege auf, deren Flächen sich im wesentlichen unter Bildung zweier elektrischer Kondensatoren mit den Kapazitäten C₁ und C₂ parallel gegenüberstehen.

Die Kondensatoren sind elektrisch mit einem Meßumformer 109 verbunden, wobei die schematisiert dargestellten Verbindungsleitungen mit druckfesten Durchführungen 103 durch eine Wandung des Grundkörpers 104 geführt sind.

Weiterhin ist ein Temperatursensor 102 vorgesehen, der die Temperatur des Grundkörpers 104, der den größten thermischen Speicher der Sensoreinrichtung 100 darstellt, erfaßt und der elektrisch mit dem Meßumformer 109 verbunden ist.

Unter der Voraussetzung, daß als Absolutdruck

p = (p₁ + p₂)/2

und als Differenzdruckdp = p₁ - p₂

gelten, sind einer derartigen Sensoreinrichtung 100 die Temperatur ϑ, ein Maß für den Differenzdruck

f (dp) = f (C₁, C₂)

und ein Maß für den Absolutdruckf (p) = f (C₁, C₂), wobei

C₁ = f (ε₁, dp, p, ϑ) und
C₂ = f (ε₂, dp, p, ϑ) sind, entnehmbar.

Dabei sind die Dielektrizitätskonstanten ε₁ und ε₂ des Fluides 107 zwischen den die Kapazitäten C₁ und C₂ bildenden Belägen selbst noch druck- und temperaturabhängig.

Die Abhängigkeit der Kapazitäten C₁ und C₂ von Absolut- und Differenzdruck resultiert aus wenn auch geringfügigen Verspannungen des Grundkörpers 104 bei welchselnder Druckbeaufschlagung.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Störgrößen in meßbare Einflußgrößen zu klassifizieren.

Dabei ist die Soll-Ausgangsfunktion A (E) bezogen auf die am Differenzdrucksensor 101 abnehmbare Abbildung des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp)

A (E) = K . E (dp) + G (E) + R (p, ϑ) . S (p, ϑ),wobei
K ein konstanter Skalierungsfaktor ist,
G (E) nichtlineare Eigenschaften des Systems beschreibt,
R (p, ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Offsetfunktion,
S (p, ϑ) eine vom Absolutdruck p und der Temperatur ϑ abhängige Spannenfunktion ist und
E (dp) = f (G, p, ϑ) abhängig von Nichtlinearitäten G, deren Absolutdruck p und der Temperatur ϑ ist.

Zur Kompensation der absolutdruckabhängigen Abbildungsfunktionen R für den Offset und S für die Spanne wird unter Berücksichtigung der den Absolutdruck p beeinflussenden Störgrößen die Abbildungsfunktion f (p) auf die am Differenzdruck sensor abgreifbare Summe der Kapazitäten

ΣC = C₁ + C₂ zu
f(p) = f (ΣC, p₁, p₂, ϑ) + ΣC (ϑ) + T (E),

wobei
ΣC (ϑ) den Temparaturgang der Kapazitätssumme beschreibt,
T (E) eine von der Eingangsfunktion E abhängige Aussteuerungsfunktion.

Die weitere Vorgehensweise wird anhand von Fig. 1 erläutert. Dabei bedeuten viereckige Symbole Polynome, deren Koeffizienten eine funktionale Abhängigkeit einer Ausgangsfunktion von mindestens einer Eingangsfunktion darstellen, sechseckige Symbole Abbildungsfunktionen und runde Symbole Verknüpfungen von Abbildungsfunktionen, unabhängig von ihren mathematischen Verknüpfungs operationen. Dabei sind als Eingangsgrößen ein gemessenes Differenzdrucksignal 11, ein gemessenes Absolutdrucksignal 12 und ein Temperatursignal 13 vorgesehen.

Im einzelnen steht das gemessene Differenzdrucksignal 11 für die Abbildungsfunktion der Druckdifferenz dp auf die Eingangsfunktion E (dp), das gemessene Absolutdrucksignal 12 für die Abbildungsfunktion f (p) auf die Summenkapazität und das Temperatursignal 13 für die Temperatur ϑ.

Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Abhängigkeiten werden einmalig und sensorindividuell unter vorgegebenen Prozeßbedingungen Sätze von Polynomkoeffizienten ermittelt, die als Konstanten abgespeichert werden.

Im einzelnen werden die Koeffizienten d_m für ein Temperaturgangpolynom 1 der Form

ermittelt, das die Abhängigkeit der Kapazitätssumme ΣC von der Temperatur f (ϑ) beschreibt, wobei der Parameter m_d die Anzahl der Koeffizienten dν und damit den Grad des Polynoms angibt.

Weiterhin werden Koeffizienten tν für ein Aussteuerungskorrekturpolynom 4 der Form

ermittelt, das den Einfluß der differenzdruckabhängigen Membranaussteuerung auf die Kapazitätssumme wiedergibt, wobei der Parameter m_t die Anzahl der Koeffizienten tν und damit den Grad des Aussteuerungskorrekturpolynoms 4 angibt.

Zur Kompensation des absolutdruck- und temperaturabhängigen Offsets werden Koeffizienten rν₁ und rν₂ für ein Offsetkorrekturpolynom 2 der Form

ermittelt, das die statische Kennlinienabweichung im Arbeitspunkt angibt, wobei der Parameter m_r die Anzahl der Koeffizienten rν und damit den Grad der Polynomsummen und R₀ ein Basisoffset unter vorgegebenen Prozeßbedingungen angibt.

Darüber hinaus werden Koeffizienten sν₁ und sν₂ für ein Spannenkorrekturpolynom 3 der Form

ermittelt, das die Abweichung der Relation der Eingangs- zur Ausgangsfunktion angibt, wobei der Parameter m_s die Anzahl der Koeffizienten jeder Polynomsumme und damit den Grad des Polynoms angibt.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung werden Koeffizienten gν für ein Linearisierungspolynom 5 der Form

ermittelt, das nichtlineare Kenlinienabweichungen des korrigierten Differezdrucksignals von der tatsächlichen Druckdifferenz dp = p_{1 -} p₂ angibt, wobei der Parameter m_g die Anzahl der Koeffizienten des Linearisierungspolynoms 5 und damit dessen Grad angibt.

Der Vorteil einer Mehrzahl von Korrekturpolynomen liegt einerseits in der Übersichtlichkeit, die sich darin äußert, daß jedes Polynom höchstens von zwei Variablen abhängt, und andererseits darin, daß derartig kompakte Polynome bereits bei geringem Grad hinreichend konvergieren, so daß bereits nach wenigen Summationsschritten eine ausreichende Genauigkeit erreicht wird.

Zur Korrektur des gemessenen Differenzdrucksignals 11 wird das korrigierte Differenzdrucksignal 19 rekursiv aus dem gemessenen Absolutdrucksignal 12, dem Temperatursignal 13, dem gemessenen Differenzdrucksignal 11 und sich selbst durch Verknüpfung mit dem Temperaturgangkorrekturpolynom 1, dem Offsetkorrekturpolynom 2, dem Spannenkorrekturpolynom 3 und dem Aussteuerungskorrekturpolynom 4 bestimmt.

Im einzelnen wird aus dem korrigierten Differenzdrucksignal 19 über das Aussteuerungspolynom 4 ein aussteuerungsabhängiges Korrektursignal 14 berechnet, das dem Term T(E) in der Abbildungsfunktion f(p) des Absolutdruckes p entspricht.

Weiterhin wird aus dem Temperatursignal 13 über das Temperaturgangkorrekturpolynom 1 ein Temperaturgangsignal 15 berechnet, das dem Term f(ΣC(ϑ)) in der Abbildungsfunktion f(p) des Absolutdruckes p entspricht.

Aus dem gemessenen Absolutdrucksignal 12 wird mit dem aussteuerungsabhängigen Korrektursignal 14 und dem Temperaturgangsignal 15 ein korrigiertes Absolutdrucksignal 16 berechnet, dessen Abbildungsfunktion f(p) nunmehr nur noch von den Prozeßdrücken p₁ und p₂ abhängt,

f (p) = f (0, p₁, p₂, 0).

Aus dem korrigierten Absolutdrucksignal 16 und dem Temperatursignal 13 werden über das Offsetkorrekturpolynom 2 ein Offsetkorrektursignal 17 und über das Spannenkorrekturpolynom 3 ein Spannenkorrektursignal 18 berechnet. Dabei entspricht das Offsetkorrektursignal 17 dem Term R (p, ϑ) und das Spannenkorrektursignal 18 dem Term S (p, ϑ) in der Abbildungsfunktion des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp).

Aus dem gemessenen Differenzdrucksignal 11, dem Offsetkorrektursignal 17 und dem Spannenkorrektursignal 18 wird rekursiv das korrigierte Differenzdrucksignal 19 bestimmt, das für die Abbildung des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp) die Form

A(E) = K.E+G(E) hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem korrigierten Differenzdrucksignal 19 über das Linearisierungspolynom 5 ein Linearisierungskorrektursignal 20 berechnet, das dem Term G (E) in der Abbildungsfunktion des Differenzdruckes dp auf die Eingangsfunktion E (dp) des korrigierten Differenzdrucksignals 19 entspricht. Das korrigierte Differenzdrucksignal 19 wird mit dem Linearisierungskorrekturpolynom 20 unter Erhalt eines linearisierten Differenzdrucksignals 21 verknüpft, wobei das linealisierte Differenzdrucksignal 21 die Abbildung der tatsächlichen Druckdifferenz dp als elektrisches Signal darstellt,

A(E) = K.E(dp)wobei K einen wählbaren konstanten Skalierungsfaktor darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, daß durch die implementierte Rekursivität trotz vergleichsweiser einfacher Korrekturpolynome niederer Grade Restfehler durch die der Rekursivität eigenen Rückkopplung vorzeicheninvertiert in den Korrekturprozeß eingekoppelt werden.

Wegen der erreichbaren niedrigen Polynomgrade eignet sich das Verfahren insbesondere zur Abarbeitung auf sequentiellen Maschinen, da die Abarbeitungszyklen proportional zu den Polynomgraden kurz sind.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist bei der Abarbeitung des Verfahrens auf sequentiellen Maschinen vorgesehen, für einen Zyklus der Zeitphase t_n das aussteuerungsabhängige Korrektursignal 14 der vorhergehenden Zeitphase t_n-1 mit dem Temperaturgangsignal 15 der Zeitphase t_n und den gemessenen Absolutdrucksignalen 12 der Zeitphase t_n unter Erhalt des korrigierten Absolutdrucksignals 16 der Zeitphase t_n zu verknüpfen.

Die Einbindung des aussteuerungsabhängigen Korrektursignals 14 aus der vorhergehenden Zeitphase t_n-1 in die Korrektur der aktuellen Zeitphase t_n ist besonders vorteilhaft, da die absolute Dimension und die relativen Änderungen dieses Korrektursignals vergleichsweise klein gegenüber den anderen zu verknüpfenden Parametern sind.

Bezugszeichenliste

1

Temperaturgangkorrekturpolynom

2

Offsetkorrekturpolynom

3

Spannenkorrekturpolynom

4

Aussteuerungskorrekturpolynom

5

Linearisierungspolynom

11

ermitteltes Differenzdrucksignal

12

ermitteltes Absolutdrucksignal

13

Temperatursignal

14

aussteuerungsabhängiges Korrektursignal

15

Temperaturgangsignal

16

korregiertes Absolutdrucksignal

17

Offsetkorrektursignal

18

Spannenkorrektursignal

19

korregiertes Differenzdrucksignal

20

Linearisierungskorrektursignal

21

linearisiertes Differenzdrucksignal

100

Sensoreinrichtung

101

Differenzdrucksensor

102

Temperatursensor

103

druckfeste Durchführung

104

Grundkörper

105

Kappe

106

Trennmembran

107

Fluid

108

Druckeinlaß

109

Meßumformer

110

Druckkammer

111

Meßmembran

Claims

1. Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals, das von Materialkonstanten, der Temperatur und dem statischen Druck abhängig ist und aus einem ersten und einem zweiten kontinuierlich mit einem Differenzdruck-Meßumformer gemessenen Drucksignal bestimmt wird, mit einem in dem Differenzdruck-Meßumformer gemessenen Temperatursignal, bei dem Sätze von Polynomkoeffizienten unter vorgegebenen Prozeßbedingungen meßumformerindividuell einmalig ermittelt und als Konstanten abgespeichert werden und bei dem aus dem ersten und dem zweiten Drucksignal ein Absolutdrucksignal ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,

1. - daß für die zu korrigierenden Abhängigkeiten zwischen den ermittelten und gemessenen Größen die Koeffizienten
- a) eines die Abhängigkeit des ermittelten Absolutdrucksignals von der Temperatur beschreibenden Temperaturgangpolynoms (1),
- b) eines die Abhängigkeit des Offsets von dem ermittelten Absolutdrucksignal und von der Temperatur beschreibenden Offsetkorrekturpolynoms (2),
- c) eines die Abweichung der Relation der Eingangs- zur Ausgangsfunktion in Abhängigkeit von der Temperatur und von dem ermittelten Absolutdrucksignal beschreibenden Spannenkorrekturpolynoms (3) und
- d) eines den Einfluß der differenzdruckabhängigen Membranaussteuerung auf das ermittelte Absolutdrucksignal beschreibenden Aussteuerungskorrekturpolynom (4) bestimmt werden und
2. - daß das Differenzdrucksignal (19) rekursiv aus dem ermittelten Differenzdrucksignal (11), dem ermittelten Absolutdrucksignal (12), dem Temperatursignal (13) und sich selbst durch Verknüpfung mit den Korrekturpolynomen (1, 2, 3, 4) entsprechend ihrer Abhängigkeit korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß aus einem korrigierten Differenzdrucksignal (19) über das Aussteuerungskorrekturpolynom (4) ein aussteuerungsabhängiges Korrektursignal (14) berechnet wird, daß aus dem Temperatursignal (13) über das Temperaturgangkorrekturpolynom (1) ein Temperaturgangsignal (15) berechnet wird,
daß aus dem ermittelten, temperatur- und aussteuerungsabhängigen sowie offset- und spannenbehafteten Absolutdrucksignal (12) durch Verknüpfung mit dem aussteuerungsabhängigen Korrektursignal (14) und dem Temperaturgangsignal (15), ein korregiertes Absolutdrucksignal (16) berechnet wird,
daß aus dem korregierten Absolutdrucksignal (16) und dem Temperatursignal (13) über das Offsetkorrekturpolynom (2) ein Offsetkorrektursignal (17) berechnet wird,
daß aus dem korregierten Absolutdrucksignal (16) und dem Temperatursignal (13) über das Spannenkorrekturpolynom (3) ein Spannenkorrektursignal (18) berechnet wird und daß rekursiv aus dem ermittelten Differenzdrucksignal (11) durch Verknüpfung mit dem Offsetkorrektursignal (17) und dem Spannenkorrektursignal (18) das korregierte Differenzdrucksignal (19) berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einmalig die Koeffizienten eines Linearisierungspolynoms (5) ermittelt werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3 dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem korregierten Differenzdrucksignal (19) über das Linearisierungspolynom (5) ein Linearisierungskorrektursignal (20) berechnet wird und
daß das korregierten Differenzdrucksignal (19) mit dem Linearisierungskorrektursignal (20) zum linearisierten Differenzdrucksignal (21) verknüpft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das ermittelte Differenzdrucksignal (11), das ermittelte Absolutdrucksignal (12) und das Temperatursignal (13) zeitdiskret abgetastet werden und
daß das korregierte Absolutdrucksignal (16) zum Zeitpunkt t_n zyklisch aus den Abtastwerten des gemessenen Absolutdrucksignals (12) zum Zeitpunkt t_n dem Temperatursignal (13) zum Zeitpunkt t_n und dem korregierten Differenzdrucksignal (19) zum Zeitpunkt t_n-1 bestimmt wird.