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 19851 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 0569573 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:

CR , CR , , CM - CR

P - bzw. p - 1 oder p - ,

CM CM CM + CR 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. Eine Optimierung des Messprinzips bei Drucksensoren in Bezug auf mögliche Kriechströme auf der - dem zu messenden Medium abgewandten - Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswertelektronik zum Zwecke der Eliminierung von möglicherweise durch die Umgebung eingetragenen und zur Kondensierung neigenden Luftfeuchteanteilen wird angestrebt.

Als allgemeiner Stand der Technik bzgl. einer Funktionsüberwachung von kapazitiven Drucksensoren wird die DE 10333 154 A1 und die DE 102014201 529 A1 genannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung einer Druckmesszelle eines kapazitiven Drucksensors vorzuschlagen, durch das die Erkennung eines Fehlereinflusses auf das Messergebnis aufgrund von insbesondere feuchtigkeitsbedingten Kriechströmen ermöglicht wird.

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

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Feuchtigkeit auf der dem zu messenden Medium abgewandten Messzellen-Rückseite oder in Teilen der Auswerteelektronik und die daraus resultierenden Kriechströme eine Veränderung des vom Messkondensator im Zusammenspiel mit einem Komparator-Oszillator erzeugten dreieckförmigen Spannungssignals UCOM nach sich zieht. Anstatt eines gleichmäßig linear ansteigenden und abfallenden Verlaufs stellt sich in dem Fall ein bauchartiger Verlauf ein. Konkret sieht der Verlauf dann so aus, dass sich sowohl während des ansteigenden Verlaufs des Dreiecksignals als auch während des abfallenden Verlaufs die Steilheit abnimmt. Je nachdem, wie groß der resitive Einfluss ist, stellt sich ein mehr oder weniger starker bauchartiger Verlauf ein.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Erkennung derartiger Signalverläufe vor, dass von dem dreieckförmigen Spannungssignal UCOM während des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten ti, t ₂ die entsprechenden Spannungswerte Ui, U ₂ erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare ti ; Ui und t ₂ ;U ₂ eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt wird. Mithilfe dieser Geradengleichung U = f(t) kann innerhalb des abfallenden bzw. ansteigenden Signalverlaufs der Zeitpunkt t _x errechnet werden, an dem der im Komparator-Oszillator als Schwellwert bzw. Umschaltpunkt eingestellte Spannungswert U _x erreicht wird. Für die Analyse und damit für die Fehleranzeige gibt es nun zwei Möglichkeiten: entweder wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn der Zeitpunkt t _x von dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt des Komparator-Oszillators signifikant abweicht oder wenn die fiktive Arbeitsfrequenz, die durch den zum Zeitpunkt t _x definierten fiktiven Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators berechnet wird, von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators signifikant abweicht.

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 durch Kriechströme hervorgerufene resistive Fehlereinflüsse schnell und frühzeitig zu erkennen.

Alternativ dazu ist auch eine differenzierte Auswertung denkbar, bei der pro Periode des sich differenziert ergebenden Rechtecksignals während zumindest einer Pulsbreite, d.h. entweder eines positiven oder während eines negativen Impulses oder während beiden Impulsen, wenigstens zweimal die Pulshöhe gemessen wird und die gemessenen Spannungswerte in einem Speicher abgelegt werden. Die wenigstens zwei Spannungswerte je Pulsbreite werden dann bspw. durch Differenzbildung betragsmäßig miteinander verglichen und bei einer signifikanten Abweichung zueinander wird entsprechend ein Fehlersignal generiert.

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,

Figur 4 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Spannungssignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Spannungssignals gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Figur 5 eine Gegenüberstellung eines fehlerfreien Spannungssignals und eines durch Kriechströme beeinflussten Spannungssignals gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Figur 6 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 Hohlraum 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 UEO 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 UCOM 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 R _Ö und einem Rückführungswiderstand R7. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Sample-and-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and- Hold-Schaltung S&H liegt die Messspannung U _M ess an, aus der der Prozessdruck p, der auf die Druckmesszelle 10 wirkt, gewonnen wird.

Nachfolgend ist die Funktion dieser Messschaltung näher erläutert. Der Operationsverstärker OP1 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 UR an, deren Amplitude vom Quotienten 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 Rs und R _Ö gebildet wird, einstellen.

Über eine Sample&Hold-Schaltung S&H werden die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals betragsmäßig addiert, der Betrag A als Messspannung Ü _M ess 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 _M ess 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.

In Figur 4 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Zum einen ist das linear ansteigende bzw. abfallendes Spannungssignal UCOM gezeigt, das maßgeblich durch den Messkondensator CM bestimmt ist und am Ausgang COM des Integrierzweigs IZ ausgegeben wird. Die durchgezogene Linie stellt dabei den Idealverlauf dar. Abhängig von den eingestellten Umschaltpunkten im Komparator-Oszillator SG wird daraus die Rechteckspannung UEO generiert, die symmetrisch um 0 Volt alterniert.

Durch die strichpunktierte Linie ist der Signalverlauf des Spannungssignals UCOM dargestellt, wie er sich in dem Fall einstellt, wenn bspw. durch Feuchtigkeit auf der Rückseite der Druckmesszelle 10 oder in Teilen der Auswerteelektronik Kriechströme entstehen. Anstatt eines gleichmäßig linear ansteigenden und abfallenden Verlaufs stellt sich in dem Fall ein bauchartiger Verlauf ein. Konkret sieht der Verlauf dann so aus, dass sich sowohl während des ansteigenden Verlaufs des Dreiecksignals als auch während des abfallenden Verlaufs der Anstieg zunächst zunimmt und dann abnimmt. Je nachdem, wie groß der resistive Einfluss ist, stellt sich ein mehr oder weniger starker bauchartiger Verlauf ein.

Erfindungsgemäß wird von dem Spannungssignal UCOM während des abfallenden und/oder des ansteigenden Signalverlaufs zu wenigstens zwei definierten Zeitpunkten ti, t2 die entsprechenden Spannungswerte Ui, U2 erfasst werden und anhand der beiden Wertepaare ti; Ui und t2; U2 eine Geradengleichung U = f(t) ermittelt. In Fig. 4 ist beispielhaft der Fall dargestellt, dass eine Gerade in den ansteigenden Signalverlauf gelegt ist. Der Zeitpunkt ti entspricht hier dem Umschaltzeitpunkt vom abfallenden in den ansteigenden Signalverlauf, während der Zeitpunkt t2 in der Mitte des ansteigenden Signalverlaufs liegt, sozusagen bei einem Viertel bzw. einem Dreiviertel einer Periode.

Deutlich zu erkennen ist, dass im Falle eines bauchartigen Verlaufs des Spannungssignals UCOM die Gerade am entgegengesetzten Umschaltpunkt den im Komparator SG definierten Schwellwert U _x zum Zeitpunkt t _x deutlich früher erreicht als der tatsächliche Umschaltzeitpunkt. Dieser Zeitpunkt t _x lässt sich anhand der Geradengleichung leicht berechnen. Durch Vergleich von t _x mit dem tatsächlichen Umkehrzeitpunkt ergibt sich eine Zeitdifferenz At. Sollte nun der Zeitpunkt t _x signifikant von dem tatsächlichen Umschaltzeitpunkt abweichen, d.h. die Zeitdifferenz At den Wert null signifikant übersteigen, deutet das auf Kriechströme und damit auf resistive Einflüsse auf die Messgenauigkeit hin. Als Ergebnis wird dem Anwender diese Situation in Form eines Fehlersignals angezeigt.

Figur 5 stellt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Ausgangssituation sowie der grundsätzliche Erfindungsgedanke in Form der Geradenbildung ist dabei identisch mit Fig. 4. Der Unterschied besteht in der Fehlererkennung. Während in der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 4 die Fehlererkennung mittels Zeitauswertung erfolgt, steht in der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 5 die Auswertung der Arbeitsfrequenz im Mittelpunkt.

Der bei Erreichen der Schwellwertspannung U _x errechnete Zeitpunkt t _x wird als fiktiver Umschaltpunkt des Komparator-Oszillators SG definiert und daraus eine fiktive Arbeitsfrequenz berechnet. Verdeutlicht werden soll das durch den gestrichelten Verlauf des Dreiecksignals nach dem Umschaltpunkt. Im Fehlerfall stellt sich eine fiktive Periodenhälfte ein, die kürzer ist als die tatsächliche Periodenhälfte. Entsprechend hochgerechnet verkürzt sich die fiktive Periodendauer insgesamt gegenüber der tatschlichen Periodendauer, so dass sich ein Frequenzunterschied einstellt. Bei Vergleich der beiden Arbeitsfrequenzen und Erkennen einer signifikanten Abweichung dieser fiktiven Arbeitsfrequenz von der tatsächlichen Arbeitsfrequenz des Komparator-Oszillators SG deutet dies wiederrum auf Kriechströme und damit auf resistive Einflüsse auf die Messgenauigkeit hin, was dem Anwender in Form eines Fehlersignals angezeigt wird.

Figur 6 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, eine erste Verarbeitungseinheit 70 und eine CPU 50 als Flaupt- 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 je nachdem, ob die erste oder zweite Ausführungsform angewendet wird, der tatsächliche Umschaltzeitpunkt des Dreiecksignals UCOM bzw. dessen Periodendauer abgleitet, welche jeweils der CPU 50 zugeführt wird.

Die erste Verarbeitungseinheit 70 ist ein Modul mit A/D-Wandler und CPU- Ressourcen, wobei natürlich auch die anderen Eingänge integrierte A/D-Wandler aufweisen. Dieses Modul 70 kann selbstverständlich auch in die CPU-Einheit 50 integriert sein. In dieser ersten Verarbeitungseinheit 70 erfolgt die Ermittlung der Geradengleichung U = f(t). In der CPU 50 selbst erfolgt dann zum einen die Berechnung des Zeitpunkts t _x , zu dem der gesetzte Schwellwert fiktiv von der Gerade erreicht wird und anschließend der Vergleich der Umschaltzeitpunkte oder der daraus abgeleiteten Periodendauern bzw. Arbeitsfrequenzen. Bei signifikanter Abweichung der beiden Umschaltzeitpunkte bzw. der beiden Periodendauern von einem vorgegebenen Toleranzband wird ein Fehlersignal generiert, welches am Ausgang diag_out ausgegeben wird.

Der aktuell gemessene Druckwert in Form des aus Fig. 3 bekannten Spannungssignals UR wird unverändert auf 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.

Bezugszeichenliste

1 Druckmessgerät

10 Druckmesszelle 12 Grundkörper

14 Membran

16 Glaslotring

18 Entlüftungskanal

19 Hohlraum

20 Auswerteelektronik 30 Auswerteschaltung

50 Haupt-Verarbeitungseinheit, CPU 60 Timer

70 erste Verarbeitungseinheit CM Messkondensator CR Referenzkondensator

M Mittelelektrode

R Ringelektrode

ME Membranelektrode IZ Integrierzweig

DZ Differenzierzweig SG Schwellwert-Komparator RG Rechteckgenerator