用于监测电容式压力测量单元的功能的方法与流程

本发明涉及用于监测电容式压力传感器的压力测量单元的功能的方法。

背景技术：

1、在许多工业领域中，使用电容式压力传感器或压力测量设备进行压力测量。它们通常包括陶瓷压力测量元件，作为过程压力的换能器和用于信号处理的评估电子设备。

2、电容式压力测量元件由陶瓷基体和膜组成，其中在基体和膜之间设置有玻璃焊环。由于压力的影响，在基体和膜之间形成的空腔允许膜纵向移动。因此，此空腔也称为测量室。在膜的下侧和基体的相对上侧分别提供电极，它们一起形成测量电容器。压力的作用导致膜变形，从而导致测量电容器的电容发生变化。

3、借助于评估单元，检测到电容的变化并且将其转换成压力测量值。通常，这些压力传感器用于监测或控制过程。因此，它们经常连接到更高级别的控制单元(plc)。

4、从de19851506c1已知一种电容式压力传感器，其中压力测量值由测量电容器和参考电容器的两个电容值的商来确定。尽管在本专利说明书中没有具体描述压力测量单元，但是所描述的电路和方法适用于电容式压力测量单元。此压力测量设备的特别之处在于，无论方波信号的频率如何，仅方波信号的振幅才与输出端的测量信号的评估相关，作为检测到的测量压力值的量度。

5、从ep0569573b1中已知一种用于电容式压力传感器的电路设备，其中也使用商方法来进行压力评估。

6、该商法通常假设以下压力相关性：

7、或或

8、其中cm是测量电容器的电容，cr是参考电容器的电容，并且p是待确定的过程压力。还可设想交换商中的cm和cr。然而，在分母中给出的cm示例表示了支持内在线性化的最常见形式。因此，在下文中，除非另有说明，否则此实施例是假定的。

9、电容式压力传感器的可靠性变得越来越重要。例如，出版物ep2606330b1和出版物de102018118645b3提出了如何可靠地检测介质进入(其由压力测量单元的机械损坏，特别是膜的机械损坏导致，或由可能的通风通道导致)，并且从de102018118646b3已知，压力传感器的测量原理如何针对测量单元背对待测介质的后侧或评估电子器件的部件中可能的泄漏电流进行优化，以消除可能由环境引入的空气湿度成分，并且易于冷凝。

10、例如从de102011005705b4中还已知，压力测量期间的温度，特别是待测介质的温度，会对所获得的测量结果的精度产生相当大的影响。为此，除了压力测量之外，还借助于设置在基体背面的温度元件检测温度，使得可以补偿压力测量的温度依赖性。

11、然而，快速的温度变化，即所谓的热冲击，会导致压力测量单元的膜中的张力，这带来了挑战。膜的张力由作用在压力测量单元的膜上的介质和压力测量单元的背离介质并且与环境热连接的基体之间的温差产生。

12、在此背景下，ep2189774a1基于此认识，即出于技术测量的原因，压力引起的膜变形不同于热冲击引起的膜变形。其中公开的用于检测快速温度变化的方法基于以下事实：对于测量电容器cm的测量值，将参考电容cr的测量值与从测量电容器cm的测量值得到的参考电容cr的期望值进行比较，并且其中当参考电容的测量值在期望值附近的公差范围之外时，检测到温度跳变。然而，此方法假设快速的温度变化是测量值和预期值之间检测到的差异的唯一原因。然而，在实践中，情况并非总是如此。例如，在压力测量单元，特别是膜的机械损坏的情况下，测量值和期望值之间会出现相当的影响，但是这将导致错误的假设，即必须补偿作用温度，而不是更换压力测量单元，或最终更换整个压力测量设备，因为输出压力测量值很可能不再对应于实际存在的压力条件。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服此缺点。

2、根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。从属权利要求中提供了本发明的有利实施例。

3、首先，在调整过程中，商q和测量电容器cm的电容值相对于压力的特性曲线以及在不同温度情况下的特性曲线都作为期望值存储在查找表中。在压力测量单元的操作期间，基于查找表，商q的对应量以及测量电容器cm的电容值被连续地分配给由温度元件在该时刻检测到的温度下的确定的压力测量值p，并且两个商q的量以及测量电容器cm的电容值的曲线特性被相互比较。作为示例，此比较可以以200毫秒的间隔进行。如果存在与预期特性的显著偏差，则评估单元临时切换到安全模式，同时检测和评估温度元件的梯度。如果检测到温度元件的梯度显著增加，则可以启动适当的温度补偿。在此情况下，测量值和期望值之间的差异的原因可以明确地归因于温度跳变并且此对输出测量结果的误差影响可以通过对应的补偿来校正。否则，如果尽管测量值和预期值之间存在差异，但温度元件在其测量结果中没有示出任何显著变化，则可以排除温度跃变是原因，而是可以假定压力测量单元，尤其是其膜损坏。在此情况下，会生成错误信号，它可能具有不同的性质。例如，可以想到简单的光学或声学警告信号，但是也可以想到从高级控制单元(plc)接收到的对应信号。

4、因此，本发明的优点在于，基于电容值对故障影响反应非常迅速的知识，有可能在早期阶段切换到一种“报警状态”，并且针对可能的原因调查对应的环境条件。因此，根据本发明的方法相当于触发器，它将注意力吸引到故障条件(初步的未知原因)上，使得只需随后开始对故障的可能原因进行更详细的观察并且可以在非常早的阶段启动对应的目标对策。

5、本发明的有利的进一步发展提供了，在安全模式期间，仅通过测量电容器的电容值获得压力测量值p。由测量电容器和参考电容器的电容值形成的商的主要目的是补偿由于测量室中电介质的介电常数r的变化而引起的电容变化。对于无论如何都应是短持续时间的安全模式期间，此情况将是可忽略的，而优势是通过使用测量电容器的电容值仍然可以输出比较可信的压力测量值p。

6、有利地，然后将由测量电容器单独获得的测量压力值p和由商q获得的测量压力值p相互比较。通过此两个不同计算的测量值的比较，可以进行似真性检查(也可能是并行的)，这引起对压力测量单元中或压力测量单元处的突然或缓慢变化的注意。

7、另一个有利的发展是，在匹配过程期间，测量电容器和参考电容器的充电和放电时间与压力的关系以及在不同温度情况下的充电和放电时间也已经存储在查找表中，来自查找表的对应的充电和放电时间量被连续地分配给由温度元件在此时检测到的温度下确定的压力测量值p，并且将商q、测量电容器的电容值以及充电和放电时间的量的过程特性相互比较。即整个过程延长了测量和参考电容器的充电和放电时间，即相应地用于将电容充电到某一水平和放电所消耗的时间周期。以此方式，除了压力测量单元的此温度影响和机械损坏之外，还可以检测外部频率影响，例如，如果测量设备在变频器附近操作，则可以发生外部信号源频率的耦合，使得与压力测量设备的固定操作或操作频率形成共振。

8、在下文中，参考附图借助于示例性实施例更详细地解释本发明。

技术特征：

1.一种用于监测电容式压力测量单元(10)的功能的方法，所述电容式压力测量单元包括测量电容器(cm)和参考电容器(cr)以及温度元件，

2.根据权利要求1所述的方法，

3.根据权利要求2所述的方法，

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

技术总结
本发明涉及用于监测包括测量电容器(C<subgt;M</subgt;)和参考电容器(C<subgt;R</subgt;)以及温度元件的电容式压力测量单元(10)的功能的方法，其中在评估单元中，通过由参考电容器(C<subgt;R</subgt;)和测量电容器(C<subgt;M</subgt;)的电容值形成比值Q来获得压力测量值p。在本文中，该方法的特征在于方法步骤：‑在验证过程中，将比值Q的特性线和测量电容器(C<subgt;M</subgt;)的电容值分别存储在相对于压力和不同温度情况的查找表中；‑将来自查找表的比值Q和测量电容器(C<subgt;M</subgt;)的电容值的对应绝对值分别连续地分配给由温度元件在此刻检测到的温度下所确定的压力测量值p；‑将比值Q以及测量电容器(C<subgt;M</subgt;)的电容值的两个绝对值的曲线特性相互比较；‑在显著偏离预期特性的情况下，将评估单元临时切换到安全模式，同时检测和评估温度元件的梯度；‑在温度元件的梯度显著增加的情况下引入温度补偿或在温度元件的梯度不变的情况下生成误差信号。

技术研发人员：彼得·金贝尔,曼弗雷德·毛鲁斯,法比安·库恩豪泽,奥利弗·布兰肯霍恩
受保护的技术使用者：IFM电子股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13