Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckmessung bei

veränderlichen Temperaturen und einen Druckmessaufnehmer zu diesem Zweck. Es ist bekannt, dass Druckmessaufnehmer eine Querempfindlichkeit zur

Temperatur aufweisen, weshalb es üblich ist, den Temperatureinfluss auf die Druckmessung zu korrigieren. Bei den etablierten Korrekturmethoden wird jedoch von einem Gleichgewichtszustand ausgegangen, der nicht geeignet ist, die Einflüsse von zeitlich veränderlichen Temperaturgradienten in angemessener Weise zu berücksichtigen.

Petit et al. offenbaren US 2005/0000290 A1 ein Verfahren, in welchem die erste Ableitung der Temperatur nach der Zeit und die zweite Ableitung der Temperatur nach der Zeit verwendet werden, um den Einfluss von Temperaturgradienten zu kompensieren. Dannhauer et al. offenbaren in DE 10 2006 050 451 A1 ein Druckmessgerät, welches anhand der charakteristischen Sprungantwort auf einen Temperatursprung die entsprechende zeitabhängige integrale Temperatur der Druckmesszelle heranzieht um den Temperatureinfluss auf den

Druckmesswert zu kompensieren.

Der Ansatz, die Rate einer Temperaturänderung, bzw. die zeitliche Ableitung einer Temperatur zur Kompensation heranzuziehen ist im Ansatz richtig, denn die Geschwindigkeit einer Temperaturänderung ist ein Maß für den

Temperaturgradienten, dessen Einfluss auf den Druckmesswert im Ergebnis nicht mehr mit einem Gleichgewichtsmodell kompensiert werden kann. Jedoch weist insbesondere die Arbeit von Petit et al insoweit einen Mangel auf, als sie den Druckmessaufnehmer gewissermaßen als Markov-System beschreibt, welches vollständig von den gegenwärtigen Parametern bestimmt ist. Diese Annahme mag vielleicht für spezielle Systeme zutreffend sein, sie hat aber sicher keine Allgemeingültigkeit, denn in einem realen Druckmessgerät, in dem unterschiedliche Materialien an Grenzflächen miteinander in mechanischer Wechselwirkung stehen, kann das Verhalten des Systems durch dessen

Vorgeschichte mitbestimmt sein, zumal dann, wenn die Materialien zumindest anteilig nicht nur elastische, sondern auch plastische Eigenschaften aufweisen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Kompensation von Temperaturgradienteneinflüssen auf einen

Druckmessaufnehmer und einen Druckmessaufnehmer, der ein solches

Verfahren implementiert, bereit zu stellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und den Drucksensor gemäß Anspruch 9

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kompensieren von

Temperaturgradienteneinflüssen auf einen Druckmessaufnehmer umfasst:

Erfassen eines Temperatursignals T(t),

Bestimmen der zeitlichen Ableitung des Temperatursignals dT/dt,

Korrigieren eines Druckmesswertes mit einer Korrekturfunktion, welche von der zeitlichen Ableitung abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des

Vorzeichens der zeitlichen Ableitung eine andere Korrekturfunktion gewählt wird bzw. andere Koeffizienten in einer Funktion gleichen Typs gewählt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung hat eine Korrekturfunktion

Pcorr (T To, dT/dt), die bei einem Vorzeichen von dT/dt zur Anwendung kommt, einen größeren Effekt auf den Druckmesswert als eine Korrekturfunktion, die bei dem anderen Vorzeichen von den dT/dt zur Anwendung kommt, insbesondere gilt, dass

\Pcorr (T T ₀ , dT/dt)/( dT/dt)\ für dT/dt < 0 kleiner ist als

\Pcorr (T, T ₀ , dT/dt)/( dT/dt)\ für dT/dt > 0. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Korrekturfunktion proportional zur zeitlichen Ableitung der Temperatur dT/dt, wobei die Korrekturfunktion beispielsweise nur dann eingesetzt wird, wenn der Betrag von dT/dt einen Referenzwert R _krιt übersteigt. Unterhalb dieses Grenzwertes kann auf eine Korrektur für dynamische Temperatureffekte verzichtet werden.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Korrekturfunktion

proportional zu einer Summe, welche eine Konstante und ein Produkt aus einem Koeffizienten und der Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und einer Starttemperatur T ₀ enthält. Die Starttemperatur T ₀ ist insbesondere die

Temperatur, die gemessen wird, wenn in einem Korrekturzyklus erstmals der Betrag der Ableitung der Temperatur nach der Zeit den Referenzwert R _knt übersteigt.

Die erfindungsgemäße Druckmessanordnung umfasst ein Gehäuse;

eine Druckmesszelle, die in dem Gehäuse angeordnet ist;

einen Temperatursensor, der in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei die

Druckmesszelle durch eine Gehäuseöffnung mit einem Mediendruck

beaufschlagbar ist, wobei die Druckmesszelle einen Wandler aufweist, der einen druckabhängiges Primärsignal ausgibt, wobei der Temperatursensor eine für das Verhalten der Druckmesszelle relevante Temperatur erfasst, und ein

Temperatursignal ausgibt, welches dieser Temperatur entspricht, wobei der Druckmessaufnehmer weiterhin eine Verarbeitungsschaltung aufweist, um einen Druckmesswert bereitzustellen, der von dem Primärsignal, dem

Temperatursignal und der zeitlichen Ableitung des Temperatursignals abhängt, wobei das Ausmaß des Einflusses der zeitlichen Ableitung auf den

Druckmesswert von den Vorzeichen der zeitlichen Ableitung abhängt.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Druckmessaufnehmer eine Druckmesszelle, die durch die Gehäuseöffnung unmittelbar mit dem Medium beaufschlagbar ist, wobei zwischen einer Gehäuseöffnung umgebenden Gehäusewand und einer Stirnfläche der Druckmesszelle ein Dichtring axial eingespannt ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Dichtring ein Elastomer.

In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung wird der Dichtring radial durch einen Abschnitt der Gehäusewand abgestützt.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckmesszelle eine keramische Druckmesszelle, insbesondere eine Messzelle mit einer

Messmembran, welche Korund aufweist, und einen Grundkörper, welcher Korund aufweist. In einer Ausgestaltung dieser Weiterbildung der Erfindung sind die Messmembran und der Grundkörper mit einem Aktivhartlot gefügt.

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers weist in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einen metallischen Werkstoff auf, insbesondere Stahl.

Gemäß einer Weiterbildung ist der Temperatursensor, welcher zur

Kompensation der dynamischen Temperatureinflüsse herangezogen wird, im thermischen Kontakt mit der Druckmesszelle. Insbesondere kann der

Temperatursensor an einer rückseitigen Oberfläche des Grundkörpers der Druckmesszelle angeordnet sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der vom Druckmessaufnehmer ausgegebene Druckmesswert in einem zweistufigen Verfahren ermittelt, wobei zunächst ein Druckmesswert unter Berücksichtigung des Primärsignals und des Temperatursignals erfolgt, und wobei die anschließende Kompensation für dynamische Temperaturschwankungen dann erfolgt, wenn der Betrag der zeitlichen Ableitung der Temperatur dT/dt einen Referenzwert R _kπ t übersteigt. Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig.1 : Messdaten von zyklisch auftretenden Temperatursprüngen;

Fig. 2: den zeitlichen Verlauf eines Ausführungsbeispiels einer

Druckkorrekturfunktion für positive Temperatursprünge bei unterschiedlichen Ausgangstemperaturen sowie für

negative Temperatursprünge; und

Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Druckmessaufnehmers.

Die in Figur 1 dargestellten Messdaten zeigen Nullpunktschwankungen eines Druckmessaufnehmers, der alternierend durch Medienwechsel mit

Temperatursprüngen zwischen von 4 Grad Celsius und 150 Grad Celsius beaufschlagt wurde. Hierbei zeigt die mit T gekennzeichnete Kurve den Verlauf eines Temperatursignals, welches von einem Temperatursensor des

erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers erfasst wurde, und welches den Temperatursprüngen nur mit einer charakteristischen Zeitkonstante folgen kann. Die mit p _s gekennzeichnete Kurve zeigt einen Druckmesswert, welcher anhand eines Primärsignals des Wandlers einer Druckmesszelle eines

erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers und anhand des Temperatursignals des dem Druckmessaufnehmer zugeordneten Temperatursensors ermittelt wurde. Es ist offensichtlich, dass der Nullpunkt des Drucksignals bei positiven Temperatursprüngen stark zu negativen Werten hin verschoben ist, und dass der Nullpunkt bei negativen Temperatursprüngen eine Verschiebung in den positiven Bereich aufweist. Hierbei fällt auf, dass der Drucknullpunkt bei negativen

Temperatursprüngen deutlich schneller relaxiert, also sich dem wahren Wert annähert, als bei positiven Temperatursprüngen. Auf die Ursache dieses unterschiedliche Verhalten wird weiter unten eingegangen. Die mit/? gekennzeichnete Kurve zeigt den Verlauf des Nullpunktsignals nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die in der Kurve p _s dargestellten Daten. Hierbei wird deutlich, dass das korrigierte Drucksignal bereits nach kurzem Überschießen sehr schnell in ein Toleranzband um den Nullpunkt zurückkehrt, und zwar unabhängig davon, ob es sich um einen positiven Temperatursprung oder um einen negativen Temperatursprung handelt.

Entsprechend den Daten in Figur 1 wird der auszugebende Druckmesswert p(S _p ,T) gemäß der folgenden Gleichung ermittelt. p(S _p ,T) := _Ps (S _p ,T) - p _corr {T,T ₀ ,ψ)

Hierbei ist p _corr der Korrekturterm welcher zur Anwendung kommt, wenn der Betrag der zeitlichen Ableitung der Temperatur einen kritischen Referenzwert übersteigt. p _corr genügt dabei allgemein der folgenden Form:

P _co AT,T ₀ ,f) := § - [Ci ₊ O - (T - T ₀ )]

Die Starttemperatur T ₀ ist die Temperatur, die gemessen wird, wenn im

Messbetrieb erstmals gilt oder wenn nach Betriebsbedingungen mit langsamen Temperaturänderungen also erstmals wieder gilt

\dT/dt\>R _knt .

Bei Vorzeichenwechseln von Temperatursprüngen, ist zwar bei analytischer Darstellung zwingend eine Nullstelle für dT/dt gegeben, die selbstverständlich impliziert dass es einen Punkt mit \dT/dt\<R _krιt zwischen den beiden

Temperatursprüngen gibt. Jedoch kann bei einer numerischen Implementierung mit entsprechender Mittelwertbildung diese Nullstelle„verpasst" werden. Insoweit kann bei numerischer Auswertung der Rohdaten ein alternatives Kriterium für das Setzen eines neuen Wertes für T ₀ , das Auftreten eines Vorzeichenwechsels von dT/dt sein bei fortgesetzter Erfüllung des Kriteriums \dT/dt\>Rk _n t. Die

Korrektur mit p _corr wird solange durchgeführt, bis die zeitliche Ableitung wegen der Temperatur nach der Zeit einen Betrag aufweist, der kleiner ist als ein Abschaltkriterium, wobei der Referenzwert beispielsweise ebenfalls R _kn t sein kann.

Gemäß den obigen Erwägungen und den vorliegenden Daten können bzw.

müssen die Koeffizienten a und b für positive Temperatursprünge und negative Temperatursprünge unterschiedlich sein, wobei die konkreten Werte für jeden Druckmessaufnehmertypen individuell zu bestimmen sind. Hierbei hat sich gezeigt, dass der Koeffizient b für positive Temperatursprünge eine Abhängigkeit von der jeweiligen Starttemperatur eines Temperatursprungs aufweist, und beispielsweise durch ein Polynom beschrieben werden kann, insbesondere ein Polynom zweiter oder dritter Ordnung in T ₀ .

Koeffizienten für dT/dt >0:

a := α ₊

b(T ₀ ) :=∑b, ^■ T ₀ ' , i= 0, l, ... , N (insbesondere N=2 oder 3)

Für negative Temperatursprünge erweisen sich für das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers konstante Koeffizienten a und b als ausreichend.

Koeffizienten für dT/dt <0:

a := a_

b := b_ Je nach den vorliegenden konstruktiven Einzelheiten können auch für negative Temperatursprünge Koeffizienten erforderlich sein, welche eine Abhängigkeit von der Starttemperatur aufweisen.

Die in Figur 2 gezeigten Kurven zeigen den zeitlichen Verlauf von

Korrekturwerten, welche von einer Starttemperatur von 0 °C und 20 °C jeweils den Druckfehler bei einem positiven Temperatursprung von 140 °C

kompensieren sollen. Hierbei weist die Kurve mit einer Starttemperatur von 20 ⁰ C einen größeren Betrag auf als die Kurve mit einer Starttemperatur von 0°C.

Zum Vergleich zwischen einem positiven Temperatursprung und einem

negativen Temperatursprung ist noch die Korrekturfunktion für einen negativen Temperatursprung um 140°C aufgenommen, wobei diese Korrekturfunktion keine Abhängigkeit von der Ausgangstemperatur aufweist.

Es fällt auf, dass der Korrekturbedarf für negative Temperatursprünge erheblich geringer ist als für positive Temperatursprünge. So liegt beispielsweise der Wert für a für positive Temperatursprünge bei den untersuchten Sensoren zwischen 30 und 40, während b für positive Temperatursprünge in Abhängigkeit der Ausgangstemperatur einen Wert zwischen -1 und -6 bei Starttemperaturen zwischen 20 Grad Celsius und 80 Grad Celsius aufweist. Für negative

Temperatursprünge liegt der Wert für a bei den untersuchten

Druckmessaufnehmer zwischen -5 und -20 und der Wert für b weist einen konstanten Wert zwischen 0 und 1 auf. Wie bereits zuvor erwähnt, sind diese Koeffizienten typspezifisch zu bestimmen und nicht ohne weiteres von einem Sensortyp auf ein anderen übertragbar.

Bei der Implementierung der vorliegenden Erfindung kann die zeitliche Ableitung der Temperatur selbstverständlich nicht als Differentialquotient bestimmt werden. Stattdessen wird anhand gespeicherter Temperaturmesswerte ein

Differenzenquotient bestimmt, welcher als Schätzwert der zeitlichen Ableitung der Temperatur verwendet wird. Sobald der Betrag des aktuellen Differenzenquotienten den Schwellwert akritisch übersteigt, werden die

Druckmesswerte p _s um den Wert p _corr korrigiert, wobei der zugehörige

Temperaturwert To für die Berechnung des Korrekturwertes p _corr erfasst wird. Die

Korrektur wird solange angewandt, bis der Betrag des Differenzenquotienten einen Schwellwert unterschreitet, welcher das Abschaltkriterium für die Korrektur von Temperatursprüngen definiert. Dieser Grenzwert kann ebenfalls R^sein.

Das in Figur 3 gezeigte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Druckmessaufnehmers 1 umfasst eine Druckmesszelle 1a, die einen

keramischen Grundkörper 2 und eine Messmembran 3 aufweist, die mittels eines Aktivhartlots 4 gefügt sind. Die Druckmesszelle 1a ist in einem Gehäuse 5 angeordnet, wobei das Gehäuse eine Gehäuseöffnung 14 aufweist, durch welche die Messmembran 3 der Druckmesszelle mit einem Messmedium beaufschlagbar ist. Zwischen der Messmembran 3 und einer radial einwärts gerichteten Schulter des Gehäuses 5, welche die Gehäuseöffnung begrenzt, ist eine O-Ring-Dichtung 6 axial gespannt. Um die Druckmesszelle vorgespannt in dem Gehäuse 5 zu halten, drückt zunächst ein keramischer Entkopplungsring 7 auf die Rückseite des Grundkörpers 2 der Druckmesszelle, wobei der

Entkopplungsring 7 mittels eines metallischen Rings 8 in Position gehalten wird, wobei der metallische Ring 8 und das Gehäuse 5 jeweils ein Gewinde eines zueinander komplementären Gewindepaars 8a aufweisen, mit denen die axiale Position des metallischen Rings 8 festgelegt werden kann. Über die starre axiale Kopplung zwischen den Einschraubring 8 und dem Entkopplungsring 7 und der Druckmesszelle ist damit auch das Maß d definiert, welches die axiale Position der Messzelle bezüglich des Gehäuses definiert und damit den Anpressdruck der O-Ring-Dichtung bei gegebener Temperatur festlegt. Die Druckmesszelle ist weiterhin von einem L-förmigen Dichtring aus einem Elastomer umgeben, welche einen Ringspalt zwischen der Mantelfläche der Druckmesszelle und dem

Gehäuse 5 abdichtet, um das Innere des Gehäuses vor Verschmutzung und Feuchte zu schützen, insbesondere bevor die Montage des O-Rings 6 erfolgt. Der L-Ring 9 ist nicht geeignet, einem Mediendruck unter Prozessbedienungen standzuhalten.

Die Druckmesszelle umfasst einen hier nicht dargestellten kapazitiven Wandler, der einander zugewandte Elektroden an der Messmembran und der Stirnseite des Grundkörpers umfasst, wobei das Ausgangsignals des kapazitiven Wandlers einer Vorverarbeitungsschaltung 10 zugeführt wird, wobei die

Vorverarbeitungsschaltung 10 einen Temperatursensor 11 umfasst, dessen Messwert sowohl zur Kompensation von statischen als auch dynamischen Temperatureinflüssen herangezogen wird. Der erfindungsgemäße

Druckmessaufnehmer umfasst weiterhin eine Singalverarbeitungsschaltung 12, die auf einer Leiterplatte in dem Gehäuse 5 angeordnet ist, wobei ein Eingang der Signalverarbeitungsschaltung 12 an die Vorverarbeitungsschaltung 10 angeschlossen ist und von letzterer ein digitalisiertes Temperatursignal und ein digitalisiertes Druckrohsignal empfängt. Die eigentliche Kompensation der dynamischen und statischen Temperatureinflüsse wird von der

Singalverarbeitungsschaltung 12 durchgeführt.

Die Anmelderin wünscht nicht durch eine Theorie über die Ursachen des unterschiedlichen Zeitverhaltens des unkompensierten Drucksignals p _s bei der Interpretation der Erfindung beschränkt zu werden, jedoch sollen die folgenden Ausführungen dazu dienen, das unterschiedliche Zeitverhalten bei positiven Temperatursprüngen und negativen Temperatursprüngen zu plausibilisieren.

Druckmessaufnehmer oder der Anschluss von Druckmessaufnehmern an eine Messstelle können Materialpaarungen von Werkstoffen unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten und Abweichungen von einem idealen elastischen Verhalten aufweisen. So weist beispielsweise eine

Elastomerdichtung einen erheblich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als metallische oder keramische Werkstoffe. Wenn also eine

Elastomerdichtung zwischen zwei metallischen Komponenten oder einer matallischen und einer keramischen Komponente eingespannt ist, dann wird mit zunehmender Temperatur die Einspannkraft zwischen den Komponenten größer. Scherkräfte werden in einem solchen System über Reibung übertragen, wobei die Anpassung an eine temperaturabhängige Gleichgewichtslage über eine Relaxaktion in einem Stick-Slip-Mechanismus erfolgen kann. Der Verlauf des Drucksignals p _s bei positiven Temperatursprüngen könnte auf einem solchen

Mechanismus beruhen. Bei negativen Temperatursprüngen schrumpft ein Bauteil, welches ein Elastomer aufweist, stärker als metallische oder keramische

Komponenten, weshalb die Kopplungskraft zwischen den Bauteilen abnimmt, was eine schnellere Relaxaktion gegenüber Reibungskräften ermöglicht. Dies gilt um so mehr, wenn das Elastomer bei der höheren Temperatur anteilig eine plastische Verformung erlitten hat, wodurch die Kopplungsstärke bei

abnehmender Temperatur noch weiter reduziert wird.

Zur Illustration sei auf das Detail in Figur 3 verwiesen. Für die folgende

Erläuterung sei die Positionsmarke b, die über dem O-Ring 6 in der

Messmembran 3 eingezeichnet ist, als Ursprung eines Koordinatensystems betrachtet. Bei einer Temperaturerhöhung dehnen sich die keramischen

Messmembranen 3 und der keramische Grundkörper 2 weniger stark aus, als das Gehäuse 5 welches einen metallischen Werkstoff aufweist. Im Ergebnis bewegt sich daher die radiale Schulter 13, welche die Öffnung 14 des Gehäuses 5 umgibt und welche den O-Ring 6 abstützt bezüglich des Punktes b nach links. Der O-Ring 6 weist einen noch größeren Ausdehnungskoeffizienten auf, was zu einer axialen Dehnung und einem gesteigerten Anpressdruck führt. Zudem ist die Bewegung des O-Rings durch eine radiale Schulter 13 begrenzt. Deshalb wird das zunehmende Volumen des O-Rings zu einer relativ Bewegung der

Anlagefläche des O-Rings an der Messmembran nach rechts bezüglich der Positionsmarke b führen. Dies bewirkt aufgrund der Reibungskräfte O-Ring 6 und der Oberfläche der Messmembran 3 die Einleitung von Biegemomenten in die Messmembran, welche den beobachteten Messfehler bei Temperatursprüngen verursachen können.