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Title:
METHOD FOR MONITORING THE FUNCTION OF A CAPACITIVE PRESSURE MEASURING CELL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/042964
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for monitoring the function of a capacitive pressure measuring cell (10) which comprises a measurement capacitor (CM) and a reference capacitor (CR) as well as a temperature element, wherein the pressure measurement value p is obtained in an evaluation unit by forming the ratio Q of the capacitance values of the reference capacitor (CR) and the measurement capacitor (CM). In this context, the method is characterized by the following method steps: - the characteristic lines of the ratio Q and of the capacitance values of the measurement capacitor (CM) against pressure were each stored for different temperature scenarios in a lookup table within a calibration procedure; - the determined pressure measurement value p at the temperature measured by the temperature element at this instant is continuously assigned in each case the associated value of the ratio Q and the associated value of the capacitance value of the measurement capacitor (CM) from the lookup table; - ­the behaviors of the curves of the value of the ratio Q and of the value of the capacitance value of the measurement capacitor (CM) are compared to one another; - in the case of a significant deviation from an expected behavior, the evaluation unit is temporarily transferred into safety operation and the gradient of the temperature element is measured and evaluated in the process; - a temperature compensation is introduced in the case of a significant increase in the gradient of the temperature element or a fault signal is generated in the case of an unchanged gradient of the temperature element.

Inventors:
KIMBEL PETER (DE)
MAURUS MANFRED (DE)
KUHNHÄUSER FABIAN (DE)
BLANKENHORN OLIVER (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/070678
Publication Date:
March 03, 2022
Filing Date:
July 23, 2021
Export Citation:
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Assignee:
IFM ELECTRONIC GMBH (DE)
International Classes:
G01L9/00; G01D5/24; G01L9/12; G01L19/04; G01L23/12; G01L27/00
Foreign References:
DE102020100675A12020-07-16
DE102018118645B32019-11-07
US20190293507A12019-09-26
DE19851506C12000-10-19
EP0569573B11996-04-10
EP2606330B12014-09-24
DE102018118645B32019-11-07
DE102018118646B32019-11-07
DE102011005705B42014-07-03
EP2189774A12010-05-26
EP2189774B12014-12-31
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zur Funktionsüberwachung einer kapazitiven Druckmesszelle (10), die einen Messkondensator (CM) und einen Referenzkondensator (CR) sowie ein Temperaturelement aufweist, wobei in einer Auswerteeinheit der Druckmesswert p durch Bildung des Quotienten Q aus den Kapazitätswerten des Referenzkondensators (CR) und des Messkondensators (CM) gewonnen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- in einer Abgleichprozedur sind jeweils die Kennlinie des Quotienten Q und der Kapazitätswerte des Messkondensators (CM) über dem Druck und zu verschiedenen Temperaturszenarien in einer Lookup-Tabelle abgelegt worden;

- kontinuierlich wird dem ermittelten Druckmesswert p bei der in diesem Moment durch das Temperaturelement erfassten Temperatur jeweils der dazugehörige Betrag des Quotienten Q sowie des Kapazitätswerts des Messkondensators (CM) aus der Lookup-Tabelle zugeordnet;

- das Verhalten des Verlaufs der beiden Beträge des Quotienten Q sowie des Kapazitätswerts des Messkondensators (CM) wird miteinander verglichen;

- bei signifikanter Abweichung von einem erwarteten Verhalten wird die Auswerteeinheit temporär in einen Sicherheitsbetrieb überführt und währenddessen der Gradient des Temperaturelements erfasst und ausgewertet;

- im Falle eines signifikanten Anstiegs des Gradienten des Temperaturelements wird eine Temperaturkompensation eingeleitet oder im Falle eines unveränderten Gradienten des Temperaturelements wird ein Fehlersignal erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei während des Sicherheitsbetriebs der Druckmesswert p nur durch den Kapazitätswert des Messkondensators (CM) gewonnen wird. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die jeweils durch den Messkondensator (CM) allein und durch den Quotienten Q gewonnenen Druckmesswerte p miteinander verglichen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Abgleichprozedur neben den Kennlinien des Quotienten Q und der Kapazitätswerte des Messkondensators (CM) auch die Lade- und Entladezeit des Mess- und des Referenzkondensators (CM, Cr) über dem Druck und zu verschiedenen Temperaturszenarien in der Lookup-Tabelle abgelegt worden sind, kontinuierlich dem ermittelten Druckmesswert p bei der in diesem Moment durch das Temperaturelement erfassten Temperatur der dazugehörige Betrag der Lade- und Entladezeit aus der Lookup-Tabelle zugeordnet wird und das Verhalten des Verlaufs der Beträge des Quotienten Q, des Kapazitätswerts des Messkondensators (CM) und der Lade- und Entladezeit miteinander verglichen wird.

Description:
Verfahren zur Funktionsüberwachung einer kapazitiven Druckmesszelle

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:

CR , , CM - CR

P - bzw. oder p - ,

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 angegebene 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. So wird bspw. in den Druckschriften EP 2 606 330 B1 und DE 10 2018 118645 B3 thematisiert, wie ein Mediumseintritt - verursacht durch eine mechanische Beschädigung der Druckmesszelle, insbesondere der Membran, oder ermöglicht durch einen eventuellen Entlüftungskanal - zuverlässig erkannt werden kann, und aus der DE 10 2018 118 646 B3 ist bekannt, wie das Messprinzip 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 optimiert werden kann.

Hinlänglich bekannt ist des Weiteren, bspw. aus DE 10 2011 005 705 B4, dass die während der Druckmessung vorherrschende Temperatur, insbesondere die des zu messenden Mediums, einen ganz erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der ermittelten Messergebnisse haben kann. Aus diesem Grund wird mittels eines auf der Rückseite des Grundkörpers angeordneten Temperaturelements parallel zu der Druckmessung auch die Temperatur erfasst, so dass die Temperaturabhängigkeit der Druckmessung kompensiert werden kann.

Eine Herausforderung stellt jedoch eine schnelle Temperaturänderung, d.h. ein sogenannter Thermoschock dar, wodurch es zu Verspannungen in der Membran der Druckmesszelle kommen kann. Die Verspannungen der Membran resultieren aus einem Temperaturunterschied zwischen einem auf die Membran der Druckmesszelle einwirkenden Medium und dem von dem Medium abgewandten, mit der Umgebung thermisch verbundenen, Grundkörper der Druckmesszelle.

Vor diesem Hintergrund basiert die EP 2 189 774 A1 auf der Erkenntnis, dass sich eine druckbedingte Verformung der Membran im Vergleich zu einer thermoschockbedingten Membranverformung messtechnisch unterscheiden. Das dort offenbarte Verfahren zum Erkennen schneller Temperaturänderungen beruht darauf, dass für gemessene Werte der Messkapazität Cm die gemessenen Werte der Referenzkapazität Cr mit Erwartungswerten der Referenzkapazität Cr, die aus den gemessenen Werten der Messkapazität Cm folgen, verglichen werden, und wobei ein Temperatursprung festgestellt wird, wenn der Messwert der Referenzkapazität außerhalb eines Toleranzbereichs um einen Erwartungswert liegt. Allerdings geht dieses Verfahren davon aus, dass eine schnelle Temperaturänderung die alleinige Ursache für die festgestellte Diskrepanz zwischen den gemessenen Werten und den Erwartungswerten ist. Das ist aber in der Praxis nicht immer der Fall. Beispielsweise würde sich im Falle einer mechanischen Beschädigung der Druckmesszelle, insbesondere der Membran, ein vergleichbarer Effekt zwischen den Mess- und den Erwartungswerten einstellen, was dann jedoch zu der irrtümlichen Annahme führen würde, man müsse eine einwirkende Temperatur kompensieren, statt die Druckmesszelle oder letztlich das gesamte Druckmessgerät auszutauschen, da die ausgegebenen Druckmesswerte sehr wahrscheinlich nicht mehr den tatsächlich anliegenden Druckverhältnissen entsprechen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen.

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

Zunächst sind in einer Abgleichprozedur jeweils die Kennlinie des Quotienten Q und der Kapazitätswerte des Messkondensators CM über dem Druck und zu verschiedenen Temperaturszenarien in einer Lookup-Tabelle als Erwartungswerte abgelegt worden. Während des Betriebs der Druckmesszelle wird anhand der Lookup-Tabelle kontinuierlich dem ermittelten Druckmesswert p bei der in diesem Moment durch das Temperaturelement erfassten Temperatur jeweils der dazugehörige Betrag des Quotienten Q sowie des Kapazitätswerts des Messkondensators CM zugeordnet und das Verhalten des Verlaufs der beiden Beträge des Quotienten Q sowie des Kapazitätswerts des Messkondensators CM miteinander verglichen. Dieser Vergleich könnte beispielhaft in einem Abstand von 200 Millisekunden durchgeführt werden. Sollte es zu einer signifikanten Abweichung von einem erwarteten Verhalten kommen, wird die Auswerteeinheit temporär in einen Sicherheitsbetrieb überführt und währenddessen der Gradient des Temperaturelements erfasst und ausgewertet. Wenn ein signifikanter Anstieg des Gradienten des Temperaturelements festgestellt wird, kann eine entsprechende Temperaturkompensation eingeleitet werden. In diesem Fall kann die Ursache für die Diskrepanz zwischen den Messwerten und den Erwartungswerten eindeutig einem Temperatursprung zugeordnet und durch eine entsprechende Kompensierung dieser Fehlereinfluss auf das ausgegebene Messergebnis bereinigt werden. Anderenfalls, wenn trotz Diskrepanz zwischen den Messwerten und den Erwartungswerten das Temperaturelement keine signifikante Veränderung seiner Messergebnisse aufweist, kann ein Temperatursprung als Ursache ausgeschlossen und stattdessen eine Beschädigung der Druckmesszelle, insbesondere ihrer Membran, angenommen werden. In diesem Fall wird ein Fehlersignal generiert, was unterschiedlicher Natur sein kann. Denkbar sind bspw. einfache optische oder akustische Warnsignale, aber auch entsprechende Signale, die von einer übergeordneten Steuereinheit (SPS) empfangen werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht somit darin, dass ausgehend von der Erkenntnis, dass die Kapazitätswerte sehr schnell auf Fehlereinflüsse reagieren, frühzeitig in eine Art „Alarmzustand“ umgeschaltet werden kann und die entsprechenden Umgebungsbedingungen hinsichtlich einer möglichen Ursache untersucht werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit gewissermaßen einen Trigger dar, der auf einen Fehlerfall - zunächst unbekannter Ursache - aufmerksam macht, so dass erst dann genauere Beobachtungen der möglichen Fehlerursachen begonnen werden müssen und entsprechend gezielte Gegenmaßnahmen sehr frühzeitig eingeleitet werden können. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass während des Sicherheitsbetriebs der Druckmesswert p nur durch den Kapazitätswert des Messkondensators gewonnen wird. Die Quotientenbildung aus den Kapazitätswerten von Mess- und Referenzkondensator hat vorrangig das Ziel, eine Kapazitätsänderung aufgrund einer Änderung der Dielektrizitätszahl s r des Dielektrikums in der Messkammer auszugleichen. Für die Zeit des Sicherheitsbetriebs, der ohnehin nur von kurzer Dauer sein sollte, wäre dieser Umstand vernachlässigbar, während der Vorteil, dass mit dem Kapazitätswert des Messkondensators dennoch ein vergleichsweise plausibler Druckmesswert p ausgegeben werden kann, überwiegt.

Vorteilhafterweise werden dann die jeweils durch den Messkondensator allein und durch den Quotienten Q gewonnenen Druckmesswerte p miteinander verglichen. Durch diesen Vergleich zweier unterschiedlich berechneter Messwerte kann eine - möglichweise auch parallele - Plausibilitätsprüfung erfolgen, die auf plötzliche oder auch sich schleichend einstellende Veränderungen in oder an der Druckmesszelle aufmerksam macht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei der Abgleichprozedur auch die Lade- und Entladezeit des Mess- und Referenzkondensators über dem Druck und zu verschiedenen Temperaturszenarien in der Lookup-Tabelle abgelegt worden sind, kontinuierlich dem ermittelten Druckmesswert p bei der in diesem Moment durch das Temperaturelement erfassten Temperatur der dazugehörige Betrag der Lade- und Entladezeit aus der Lookup-Tabelle zugeordnet wird und das Verhalten des Verlaufs der Beträge des Quotienten Q, des Kapazitätswerts des Messkondensators und der Lade- und Entladezeit miteinander verglichen wird. D.h. das gesamte Verfahren wird um die Lade- und Entladezeit des Mess- und Referenzkondensators, also die Zeitdauer, welche jeweils für das Laden der Kapazitäten bis zu einem bestimmten Niveau und zum Entladen verbraucht wird, erweitert. Auf diese Weise lassen sich neben den beschriebenen Temperatureinflüssen und mechanischen Beschädigungen der Druckmesszelle zusätzlich noch äußere Frequenzeinflüsse feststellen, bspw. wenn das Messgerät in der Nähe eines Frequenzumrichters betrieben wird, so dass es zu einer Einkopplung der fremden Signalquellenfrequenz und damit zu einer Resonanzbildung mit der festen Betriebs- bzw. Arbeitsfrequenz des Druckmessgeräts kommen kann. 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 ein Diagramm zur Darstellung eines im Falle eines Temperaturschocks ohne äußeren Druckeinfluss beispielhaften Verlaufs von Quotient Q, der Kapazitätswerte des Referenzkondensators (CR) und des Messkondensators (CM) sowie eines differenzierten Temperatursignals über der Zeit.

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 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 Re 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 llMess 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 R5 und Re 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 llMess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller pC (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 llMess 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 ein Diagramm, wie im Falle eines Temperaturschocks ohne äußeren Druckeinfluss die Verläufe von Quotient Q, der Kapazitätswerte des Referenzkondensators CR und des Messkondensators CM sowie das differenzierte Signal des Temperaturelements über der Zeit beispielhaft aussehen könnten. Dabei ist der Quotient Q strichpunktiert, der Messkondensator Cmess gestrichelt, das differenzierte Signal des Temperaturelements punktiert und der Referenzkondensator Cref als durchgehende Linie dargestellt.

Der Temperaturschock setzt zu Beginn des zweiten Kästchens (in x-Richtung) ein. Zu erkennen ist, mit welcher deutlichen Verzögerung das Temperaturelement auf den Temperatureinfluss reagiert. Hingegen wird diese starke Temperaturänderung in den Kapazitätswerten des Mess- und Referenzkondensators sofort „bemerkt“, wobei der Referenzkondensator gegenüber dem Messkondensator einen deutlich stärkeren Signalausschlag zeigt. Dieses Phänomen ist aus der eingangs zitierten EP 2 189 774 B1 bereits bekannt.

Im Normalfall sollten die Werte des Messkondensators und die des Quotienten nahezu gleich verlaufen, wie es ab dem Ende des dritten Kästchens in x-Richtung zu erkennen ist. Durch den Temperaturschock gibt es jedoch eine deutliche Diskrepanz zwischen beiden Werten, die sich bereits unmittelbar zu Beginn des Temperaturschocks einstellt. Diese Diskrepanz wird erfindungsgemäß als Auslöser herangezogen, die gesamte Einheit in einen Sicherheitsbetrieb zu überführen, d.h. in eine Art „Alarmzustand“ umzuschalten, währenddessen die entsprechenden Umgebungsbedingungen hinsichtlich einer möglichen Ursache untersucht werden können. Durch Beobachtung des Temperaturelements ließe sich im vorliegenden Beispiel sehr schnell feststellen, dass tatsächlich ein Temperaturschock vorliegt, und mittels eines entsprechenden Kompensationsverfahrens der Fehlereinfluss auf den Druckmesswert herausrechnen. Entscheidend ist jedoch der allererste Moment nach dem Temperaturschock, wenn das Temperaturelement noch gar nicht reagiert hat und somit naturgemäß noch keine Temperaturkompensation eingeleitet werden kann. Hier zeigt sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, da bereits zu diesem frühen Zeitpunkt in einen Sicherheitsbetrieb umgeschaltet werden kann, da auf jeden Fall eine außergewöhnliche Situation vorliegen muss.

Wie bereits beschrieben ist zu erkennen, dass der Wert des Messkondensators durch den Temperaturschock deutlich weniger stark verfälscht wurde als der Wert des Referenzkondensators und damit auch des aus beiden Werten gebildeten Quotienten Q. Diese Tatsache führt dann dazu, dass im allerersten Moment, wenn also noch keine Kompensation des Temperaturfehlers erfolgt, als Druckmesswert p der Kapazitätswert des Messkondensators ausgegeben werden kann, um zumindest den Grad der Verfälschung so klein wie möglich zu halten.

Im Falle einer mechanischen Beschädigung der Druckmesszelle, insbesondere der Membran, würde sich zu Beginn ein ähnlicher Verlauf der Werte von Quotient Q und Messkapazität ergeben, allerdings ohne, dass das Signal des Temperaturelements einen solchen Ausschlag wie in Fig. 4 aufweisen würde. Wenn dann in den zuvor beschriebenen Sicherheitsbetrieb umgeschaltet wird, würde sich durch die Beobachtung des Temperaturelements wiederrum schnell feststellen lassen, dass in diesem Fall kein Temperaturschock vorliegt und stattdessen eine andere Fehlerursache gesucht werden muss. Beispielsweise könnte dann mittels des in EP 2 606 330 B1 beschriebenen Verfahrens, bei dem mit Hilfe eines Zusatzkondensators, dessen Kapazität unabhängig vom Membrandruck ist, ein Kontrolldruckmesswert ermittelt und mit dem eigentlichen Druckmesswert p verglichen wird, eine Untersuchung hinsichtlich einer mechanischen Beschädigung eingeleitet werden. Bezugszeichenliste

1 Druckmessgerät

10 Druckmesszelle

12 Grundkörper

14 Membran

16 Glaslotring

18 Entlüftungskanal

19 Hohlraum

20 Auswerteelektronik

30 Auswerteschaltung

CM, C mess Messkondensator

CR, Cref Referenzkondensator

Q Quotient

P Druckmesswert

M Mittelelektrode

R Ringelektrode

ME Membranelektrode

IZ Integrierzweig

DZ Differenzierzweig

SG Schwellwert-Komparator

RG Rechteckgenerator