DE4104056C1 - Fault compensation for capacitive, ceramic pressure sensor - ses one main, or extra electrode as capacitively sensing electrode via diaphragm - Google Patents

Description

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

Ein Verfahren dieser Art ist aus D. Homburg, CERABAR - Neue Wege in der Druckmeßtechnik, Messen und Steuern 1987 H.49, S. 13 bis 16, bekannt.

Kapazitive keramische Drucksensoren haben von Natur aus eine gewisse Abweichung der Linearität bei der Druckmessung sowie eine Temperaturabhängigkeit. Beim bekannten Verfahren werden diese Fehler vor dem Einsatz der Drucksensoren gemessen, ab­ gespeichert und mit diesen jeweils charakteristischen Spei­ cherwerten eine dem Drucksensor direkt angebaute oder zumin­ dest fest zugeordnete Elektronikbaugruppe im späteren Ar­ beitsbetrieb gesteuert. Dadurch lassen sich hervorragende Ausgangsparameter von verhältnismäßig preisgünstig herstell­ baren Drucksensorzellen mit ursprünglich mangelhaften Eigen­ schaften erreichen. Die Nichtlinearität und die Temperatur­ abhängigkeit lassen sich so in bekannter Weise eliminieren.

Es hat sich aber gezeigt, daß derartige Drucksensoren auch eine sog. "Langzeitdrift" ihres für die Messung verwendeten Nullpunkts aufweisen. Als Ursache kommen Oberflächenverände­ rungen, vor allem bei geringem Elektrodenabstand, der Abbau inhärenter mechanischer Materialspannungen sowie molekulare Gefügeänderungen in Frage. Dieses Abdriften des Nullpunkts kann durch die bisher angewendeten Verfahren nicht erfaßt werden.

Ferner ist es aus DE 36 29 137 A1 bekannt, die An- bzw. Ab­ wesenheit eines Mediums durch Über- bzw. Unterschreiten eines kapazitiven Schwellwertes zu ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine automatische Kompensation für das Abdriften des Nullpunkts eines derarti­ gen Drucksensors zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann­ ten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kapazitive keramische Drucksensoren, bei denen das erfin­ dungsgemäße Verfahren anwendbar ist, besitzen häufig die Form einer in ein metallisch leitendes Gehäuse eingebetteten Meßzelle, die einen biegesteifen keramischen Grundkörper und eine in einem geringen Abstand (z. B. 25 µm) von diesem ange­ ordnete, elastisch verformbare Keramikmembran enthält. Die einander zugekehrten Flächen von Grundkörper und Membran sind mit metallisch leitenden Elektroden beschichtet, welche jeweils einen Sensorkondensator und einen Referenzkondensa­ tor bilden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nun vor­ zugsweise eine dieser Elektroden in periodischen Zeitabstän­ den so geschaltet, daß sie durch die Membran hindurch mit dem Gehäuse oder dem zu messenden Medium einen Prüfkondensa­ tor bildet, mittels dessen festgestellt werden kann, ob die Membran von dem Medium, dessen Druck gemessen werden soll, bedeckt ist oder nicht. Wird festgestellt, daß der kapaziti­ ve Schwellenwert, der der unbedeckten Membran entspricht, erreicht oder unterschritten ist, so wird automatisch die Überprüfung und gegebenenfalls Korrektur des dem eingestell­ ten Nullpunkt entsprechenden Ausgangssignals des Drucksen­ sors eingeleitet. Selbst bei einem nicht leitenden Medium, dessen Druck gemessen werden soll, läßt sich auf diese Weise immer eine eindeutige Aussage darüber gewinnen, ob die Mem­ bran vom Medium bedeckt ist oder nicht. Bei unbedeckter Mem­ bran kann dann zyklisch eine automatische Nullpunktkompensa­ tion durchgeführt werden.

Es können jederzeit auch mehrere oder sämtliche Elektroden des Drucksensors gemeinsam als medium-sensierende Prüfelek­ trode verwendet werden, indem sie jeweils geeignet gegenüber dem Gehäuse als Gegenelektrode geschaltet werden. Dabei er­ folgt eine kapazitive Druchgriffsmessung durch die Membran hindurch, wobei bei Verwendung mehrerer Elektroden eine ka­ pazitive Serienschaltung derselben eintritt.

Häufig dient eine auf der Innenseite der Membran befindliche Elektrode als gemeinsame Masseelektrode für Sensorkondensator und Referenzkondensator. Bei Verwendung dieser Masseelektro­ de als Prüfelektrode muß lediglich diese Elektrode von Masse getrennt und auf ein höheres Potential gelegt werden, wäh­ rend das Gehäuse auf Massepotential zu legen ist. Bei Ver­ wendung einer am Grundkörper befindlichen Elektrode als Prüfelektrode kann einfach die Masseelektrode auf der Mem­ bran von dem Massepotential getrennt werden, so daß sich eine kapazitive Serienschaltung von der Prüfelektrode über die auf der Membran befindliche Elektrode und durch die Membrane hindurch zum Gehäuse ausbildet.

Schließlich ist es auch möglich, eine zusätzliche, nicht zum Sensorkondensator und zum Referenzkondensator gehörende Elektrode auf dem Grundkörper oder vorzugsweise auf der Membraninnenseite anzubringen, die auf ein vorbestimmtes Potential gelegt wird und mit dem Gehäuse eine Kapazitäts­ schaltung ergibt. In diesem Falle ist keine periodische Um­ schaltung der Masseelektrode bzw. der übrigen Elektroden des Drucksensors erforderlich, da eine ständige Überprüfung der Kapazität stattfinden kann, wobei bei unbedeckter Membran jeweils Nullpunktkompensationen automatisch vorgenommen wer­ den, wenn Nullpunktabweichungen vorliegen.

Anhand der Figuren wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen Druck­ sensor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren an­ wendbar ist, und

Fig. 2 eine elektrische Schaltskizze der mit dem Drucksen­ sor verbundenen elektronischen Teile.

Eine allgemein mit 10 bezeichnete Meßzelle besteht aus einem keramischen Grundkörper 12 und einer in geringem Abstand von diesem gehaltenen elastischen keramischen Membran 14, wobei der Abstand zwischen Membran und Grundkörper zur besseren Anschaulichkeit vergrößert dargestellt ist. Grundkörper 12 und Membran 14 haben gleiche zylindrische Grundflächen. Der Abstand zwischen Grundkörper 12 und Membran 14 wird durch einen Glasring 16 aufrechterhalten. Die Meßzelle 10 ist in ein metallisches Sensorgehäuse 18 eingebettet, das einen eingezogenen äußeren Rand 20 aufweist. Ein an der Innenseite des Randes 20 anliegender Dichtring 22 dichtet die Meßzelle 10 nach außen gegen den Innenraum eines Behältergehäuses 24 ab, in welchem sich das Medium befindet, dessen Druck gemes­ sen werden soll. Sensorgehäuse 18 und Behältergehäuse 24 bilden zusammen ein gemeinsames, auf dem gleichen Potential befindliches metallisches Gehäuse.

Die erforderliche Anpreß-Dichtkraft am Dichtring 22 wird durch Ringfedern 26 aufgebracht, die sich an einem in das Sensorgehäuse 18 eingesetzten Sprengring 28 abstützen.

Auf der zur Membran 14 weisenden Oberfläche ist der Grund­ körper 12 mittig mit einer Sensorelektrode 30 beschichtet. Die Sensorelektrode 30 umfassend ist auf dieser Fläche außerdem eine kreisringförmige Referenzelektrode 32 vorgese­ hen. In geringem Abstand liegt den beiden Grundkörperelek­ troden 30 und 32 eine auf die Innenseite der Membran 14 aufgebrachte Membranelektrode 34 gegenüber. Alle Elektroden sind als leitfähige Schicht ausgebildet. Die Referenzelek­ trode 32 ist über einen elektrischen Anschluß 1, die Sensor­ elektrode 30 über einen elektrischen Anschluß 2, die Mem­ branelektrode 34 über einen elektrischen Anschluß 3 und das Sensorgehäuse 18 über einen elektrischen Anschluß 4 mit den in Fig. 2 schematisch dargestellten elektronischen Teilen des Drucksensors verbunden. Zwischen der bei der dargestell­ ten Ausführungsform während der Meßphase als Masseelektrode verwendeten Membranelektrode 34 und der Referenzelektrode ist ein Referenzkondensator C_R gebildet, während zwi­ schen der Membranelektrode 34 und der Sensorelektrode 30 ein Sensorkondensator C_S gebildet ist. Da über den An­ schluß 4 auch das Gehäuse 18, 24 als Elektrode geschaltet werden kann, bildet dieses mit der Membranelektrode 34 einen Prüfkondensator C_P, der in Fig. 1 durch Kondensatorsym­ bole angedeutet ist. Das in diesem Kondensator entstehende elektrostatische Feld ist durch die Feldlinien 36 angedeu­ tet.

Die Anschlüsse 1 und 2 der Meßzelle 10 sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit einem elektronischen Schalter 38 verbunden, während die Anschlüsse 3 und 4 mit einem elektronischen Schalter 40 verbunden sind. Der Schalter 38 ist an einen Kapazitäts-Frequenzwandler 42 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Mikroprozessor 44 verbunden ist. Anstelle des Ka­ pazitäts-Frequenzwandlers 42 kann auch ein Kapazitäts-Zeit­ wandler die kapazitätsabhängige Generierung eines Impuls- Pause-Verhältnisses oder allgemein jede zur Ansteuerung eines Mikroprozessors geeignete Kapazitätswandlung Verwen­ dung finden. Der Mikroprozessor steuert über Leitungen 46 bzw. 48 die Schalter 38 bzw. 40. An den Ausgängen 50 bzw. 52 des Mikroprozessors werden je ein druckproportionales bus­ fähiges bzw. analoges 4-20 mA-Ausgangssignal aufbereitet.

Bei der Durchführung einer mit der in den Figuren veran­ schaulichten Anordnung möglichen Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird die Membranelektrode 34 norma­ lerweise über den Anschluß 3 und den Schalter 40 auf Masse­ potential gelegt. Der Schalter 40 wird durch den Mikropro­ zessor 44 alternierend umgeschaltet, wodurch die Membranel­ ektrode 34 in den zwischen den Druckmeßphasen liegenden Nullpunkt-Kompensationsphasen auf ein derartiges Potential gelegt wird, daß sie als kapazitiv sensierende Prüfelektrode in bezug auf das an die Membran 14 angrenzende Medium, des­ sen Druck gemessen werden soll, arbeitet. Symbolisch ist das durch die in Fig. 1 angedeuteten Feldlinien 36 ausgedrückt, die bei vom Medium unbedeckter Membran von der Membranelek­ trode 34 durch die Membran hindurch zum metallischen Gehäuse 18, 24 und somit durch das Dielektrikum Luft verlaufen. Wird die Membran 14 hingegen von dem zu messenden Medium bedeckt, steigt die durch die Membran hindurch meßbare Kapazität des Kondensators C_P signifikant an. Dielektrikum ist in die­ sem Fall entweder das Medium, oder, sollte dieses leitfähig sein, der Werkstoff der Membran 14 selbst.

Die Arbeitsweise des Drucksensors läßt sich bei der in den Figuren veranschaulichten Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen Verfahrens anhand der in Fig. 2 gezeigten Schaltung erläutern. Der zu messende Druck des auf die Außenseite der Membran 14 drückenden, nicht dargestellten Mediums bewirkt einen Membranhub, von dem die Sensorkapazität C_S abhän­ gig ist. Die Kapazität des Sensorkondensators C_S und die Kapazität des Referenzkondensator C_R werden über die Anschlüsse 2 bzw. 1 und den elektronischen Schalter 38 in periodischem Wechsel an den Eingang des Kapazitäts-/Fre­ quenzwandlers 42 geschaltet. Das Ausgangssignal des Kapa­ zitäts-/Frequenzwandlers 42 steuert den Mikroprozessor 44 an, der seinerseits die elektronischen Schalter 38 und 40 taktet. Der während der Meßphase auf Massepotential liegende Anschluß 3 wird vom Mikroprozessor 44 in vorbestimmten Zeit­ abständen über den Schalter 40 auf ein Prüfpotential gelegt, während gleichzeitig der Gebäuseanschluß 4 auf Massepoten­ tial gelegt wird. Über einen der in Reihe zur Kapazität des Prüfkondensators C_P geschalteten Kondensatoren C_S bzw. C_R kann nunmehr die Kapazität C_P detektiert und ihr Wert zur automatischen Auslösung einer Nullpunktkompen­ sation herangezogen werden, wenn eine solche bei unbedeckter Membran 14 erforderlich sein sollte. Dieser Vorgang der Nullpunktkompensation muß hier nicht näher erläutert werden, da er als solcher dem Fachmann geläufig ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Kompensation von Fehlern eines kapazitiven keramischen Drucksensors, wobei zur Druckmessung die Kapazitätsdifferenz zwischen einem Sensorkondensator und einem Referenzkondensator ausgewertet wird, die in einem metallisch leitenden Gehäuse angeordnet sind und deren Elektroden einerseits auf einem keramischen Grundkörper und andererseits auf einer in geringem Abstand von diesem gehaltenen und dem Medium, dessen Druck gemessen werden soll, ausgesetzten keramischen Membran angebracht sind, wobei auftretende Fehler gemessen und elektronisch kompensiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur automatischen Nullpunktkompensation des Sensors minde­ stens eine der Elektroden (30, 32, 34) oder eine zusätz­ liche Elektrode auf der Membran (14) oder dem Grundkör­ per (12) wenigstens zeitweise als durch die Membran (14) hindurch zum Gehäuse (18, 24) kapazitiv sensierende Prüfelektrode verwendet wird, und daß eine automatische Nullpunktkompensation des Drucksensors durchgeführt wird, wenn der mittels der Elektrode festgestellte kapazitive Wert einen der vom Medium unbedeckten Membran (14) entsprechenden kapazitiven Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine, mehrere oder alle der die beiden Kondensatoren (C_S, C_R) bildenden Elektroden (30, 32, 34) in periodischen Zeitabständen als Prüfelektrode verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame, wahrend der Messungen als Masseelektro­ de beider Kondensatoren (C_S, C_R) geschaltete Elektrode (34) auf der zum Grundkörper (12) weisenden Innenfläche der Membran (14) in periodischen Zeitabstän­ den auf ein Prüfpotential und gleichzeitig das Gehäuse (18, 24) auf Massepotential geschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame, während der Messungen als Masseelektro­ de beider Kondensatoren (C_S, C_R) geschaltete Elektrode (34) auf der zum Grundkörper (12) weisenden Innenfläche der Membran (14) in periodischen Zeitabstän­ den vom Massepotential getrennt und gleichzeitig das Gehäuse (18, 24) auf Massepotential geschaltet wird, während mindestens eine der weiteren Elektroden (z. B. 30, 32) auf ein von Masse unterschiedliches Potential geschaltet wird.