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 - CR p - CR , 1 p - CM - CR

CM bzw. CM Oder CM + CR _J wobei CM die Kapazität des Messkondensators, CR die Kapazität des

Referenzkondensators und p den zu bestimmenden Prozessdruck bezeichnet.

Denkbar ist auch die Möglichkeit, CM und CR im Quotienten zu vertauschen. Das angegeben Beispiel mit CM 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. Problematisch bei kapazitiven Drucksensoren, die nach dem

Quotientenverfahren arbeiten, ist, dass ein Mediumseintritt - verursacht durch Membranbruch oder ermöglicht durch einen eventuellen Entlüftungskanal - aufgrund der Quotientenbildung bislang nicht erkannt werden konnte, weil sich sowohl im Zähler als auch im Nenner die Dielektrizitätszahl e _G entsprechend ändert. Erschwert wird das Problem, wenn sich das e _G des eintretenden Mediums vom e _G von Luft nur gering unterscheidet. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das zu messende Medium Öl ist. Das e _G von Öl liegt typischerweise zwischen 2 und 4, während das e _G von Luft bei 1 liegt.

Hierzu macht die EP 2 606 330 B1 den Vorschlag, mit Hilfe eines

Zusatzkondensators, dessen Kapazität unabhängig vom Membrandruck ist, einen Kontrolldruckmesswert zu ermitteln, der mit dem eigentlichen Druckmesswert verglichen wird.

Als weiterer Stand der Technik bzgl. einer Funktionsüberwachung kapazitiver Drucksensoren werden die folgenden Dokumente genannt: DE 10 2011 083 133 A1 , DE 10 2010 062 622 A1 , US 2014/0 144 206 A1 , US 2006/0 152 380 A1 , DE 10 2014 201 529 A1. Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives und kostengünstiges Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird jeweils durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kern der Erfindung ist die Erkenntnis, 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 zuvor dargestellten Quotienten aus Messkapazität CM und Referenzkapazität CR gebildete Rechtecksignal signifikant verändert wird. Darüber hinaus gibt es durch den konstruktiven Aufbau der Druckmesszelle auch einen festen Zusammenhang im druckabhängigen Verlauf der beiden

Kapazitätswerte von CM und CR, SO dass ein Membran(an)riss, welcher das

Verformungsverhalten der Membrane beeinflusst, erkannt werden kann.

Ein - auch wenn nur in geringen Mengen - in die Messkammer eingetretenes Medium führt wegen der unweigerlichen Erhöhung vom e _G , zu einer

Kapazitätserhöhung, je nachdem welche Elektroden und damit welches Dielektrikum beeinflusst werden.

Wenn nur die außenliegende Referenzelektrode beeinflusst wird, bspw., weil der Entlüftungskanal typischerweise sehr nahe an der Referenzelektrode angeordnet ist, wird dadurch bei gleicher Periodendauer die Pulshöhe signifikant kleiner. Die gleiche Situation ergibt sich auch, wenn ein Membranriss im Außenbereich eingetreten ist und sich dadurch CR leichtgängiger verformt als CM.

Für den eher unwahrscheinlichen Fall, dass nur die Messelektrode beeinflusst wird bzw. ein Membran(an)riss im mittleren Bereich stattgefunden hat, stellt sich die genau gegenteilige Situation ein, nämlich dass bei gleicher Periodendauer die Pulshöhe signifikant größer wird.

Im wahrscheinlicheren Fall, wenn sich das Medium durch einen Membranbruch oder durch Eintritt über den Entlüftungskanal gleichmäßig in der Messkammer und damit auf Referenz- und Messelektrode verteilt, erhöhen sich dadurch die Kapazitäten von CM und CR im gleichen Maß. Wie eingangs ausgeführt, bleibt dadurch die Pulshöhe unverändert. Neu ist jetzt aber die Erkenntnis, dass sich in diesem Fall die

Periodendauer signifikant ändert, so dass nunmehr über eine Auswertung der ansonsten für die Ermittlung des aktuellen Druckwertes unerhebliche Frequenz bzw. Periodendauer des Rechtecksignals eine Überwachung der Zuverlässigkeit des Drucksensors möglich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich somit auf eine Auswertung von Pulshöhe und Periodendauer bezogen auf den aktuell gemessenen Druck. Flierzu sind in einer Abgleichprozedur entweder zu bestimmten Druckwerten pi, ..., p _n die Wertepaare von Pulshöhe und Periodendauer (hi, di), ..., (h _n , d _n ) als Sollwerte abgespeichert worden oder die funktionale Abhängigkeit zwischen Pulshöhe und Periodendauer in Form eines Polynoms. Im ersteren Fall wird zu dem dann aktuell gemessenen Druckwert p _x mit dem Istwertepaar (h _x- isi, d _x- isi) das Sollwertepaar (h _x- SOLL, d _x- soLL) ermittelt und bei signifikanter Abweichung zwischen dem Istwertepaar und Sollwertepaar ein Fehlersignal generiert. Im zweiten Fall beschreibt das abgespeicherte Polynom den funktionalen Zusammenhang zwischen Pulshöhe h _x und Periodendauer d _x, so dass bei einem gemessenen Druckwert p _x mit der

Pulshöhe h _x- isi anhand des Polynoms der dazugehörige Wert für die Periodendauer d _x- soLL ermittelt werden kann. Wenn die anhand des Polynoms ermittelte

Periodendauer d _x- soLL nicht mit der tatsächlichen, gemessenen Periodendauer d _x- isi übereinstimmt, wird ein Fehler signalisiert.

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 kapazitive Fehlereinflüsse schnell und frühzeitig zu erkennen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter

Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen schematisch:

Figur 1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Druckmessgeräts, Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven

Druckmesszelle,

Figur 3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß Figur 2 und

Figur 4 die Auswerteschaltung aus Fig. 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 Figur 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 pC auf, in dem das analoge Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller pC 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.

Figur 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 Flohlraum 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 CR und einen

Messkondensator CM bilden. Der Messkondensator CM wird durch die

Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator CR 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 CM. Der Einfluss auf den Referenzkondensator CR 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. CM und CR bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.

In Figur 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator CM ist zusammen mit einem Widerstand Ri in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator CR zusammen mit einem Widerstand R2 in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des

Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung UEO an, die vorzugsweise

symmetrisch um 0 Volt alterniert. Die Eingangsspannung U EO wird über den

Widerstand Ri und den Messkondensator CM 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 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-Flold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and- Flold-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 OP 1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand Ri und dem Messkondensator CM virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom h über den Widerstand Ri, der den

Messkondensator CM solange auflädt, bis die Rechteckspannung UEO ihr Vorzeichen wechselt.

Aus Figur 3 ist ersichtlich, dass für den Fall Ri= R2 und CM = CR 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

Ri ^* CM und R2 ^* CR zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände Ri bzw. R2 entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators CM 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 Guotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ CR/CM - 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&Flold-Schaltung S&H werden die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals betragsmäßig addiert, der Betrag A als

Messspannung Ü _Mess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller mq (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Amplitude der Eingangsspannung UEO, die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der

Messspannung Ü _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.

Figur 4 zeigt im Grundsatz die aus Fig. 3 bekannte Auswerteschaltung, welche jedoch um einen Mikrocontroller pC ergänzt ist. In diesen Mikrocontroller pC ist zum einen der Komparator-Oszillator SG aus Fig. 3 integriert und zum anderen enthält er die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Einheiten: einen Timer 60, einen Speicher 40 und eine CPU 50 als Verarbeitungseinheit. Die sich außerhalb des Mikrocontrollers pC 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 Fig. 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 die Periodendauer abgleitet, welche der CPU 50 zugeführt wird. Die Periodendauer dieses Dreiecksignals ist im vorliegenden Fall identisch mit dem des eigentlichen Messsignals UR, SO dass die Erfassung der Periodendauer auf diese Weise besonders vorteilhaft ist.

Des Weiteren umfasst der Mikrocontroller pC einen Speicher 40, welchem zunächst der aktuell gemessene Druckwert p _x in Form des aus Fig. 3 bekannten

Spannungssignals UR zugeführt wird. Parallel dazu, und aus Darstellungsgründen nicht weiter gezeigt, wird der Druckwert p _x auch an den Ausgang switch_out bzw. analog_out des Mikrocontrollers pC gegeben, um die gemessenen Druckwerte als Schalt- oder Analogsignal auszugeben. Die aus Fig. 3 bekannte Sample&Flold- Schaltung S&H als Teil der dort gezeigten Auswerteschaltung ist dann ebenfalls in den Mikrocontroller pC integriert und dort funktional identisch nachgebildet. Dem Speicher 40 wird des Weiteren ein Triggersignal zugeführt, welches die CPU 50 aus der Periodendauer generiert. Durch dieses Triggersignal wird genau definiert, zu welchem Zeitpunkt der Istwert der Pulshöhe h _x- isi des Spannungssignals UR gespeichert werden soll. Dieser Zeitpunkt ist vorteilhafterweise exakt in der zeitlichen Mitte eines positiven Rechteckimpulses.

In einer vor der Anwendung des Drucksensors stattgefundenen Abgleichprozedur wurden zu bestimmten Druckwerten pi, ..., p _n die Wertepaare von Pulshöhe und Periodendauer (hi, di), ..., (h _n , d _n ) als Sollwerte ebenfalls in dem Speicher 40 abgespeichert, insbesondere in einer Lookup-Tabelle.

In der CPU 50 werden zu dem aktuell gemessenen Druckwert p _x mit dem

Istwertepaar h _x- isi, d _x- isi das Sollwertepaar h _x- soLL, d _x- soLL ermittelt und bei signifikanter Abweichung zwischen dem Istwertepaar und Sollwertepaar ein

Fehlersignal generiert, welches am Ausgang diag_out ausgegeben wird.

Bezugszeichenliste

1 Druckmessgerät

10 Druckmesszelle

12 Grundkörper

14 Membran

16 Glaslotring

18 Entlüftungskanal

19 Hohlraum

20 Auswerteelektronik

30 Auswerteschaltung 40 Speicher

50 Verarbeitungseinheit, CPU 60 Timer

CM Messkondensator CR Referenzkondensator

M Mittelelektrode

R Ringelektrode

ME Membranelektrode IZ Integrierzweig

DZ Differenzierzweig

SG Schwellwert-Komparator RG Rechteckgenerator