DE102018105234B4

DE102018105234B4 - Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Druckmessgeräts

Info

Publication number: DE102018105234B4
Application number: DE102018105234.0A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter; Manfred Maurus; Peter Kimbel; Alexander Oppe
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: CN112074718B; US20210010892A1; US11340129B2; WO2019170798A1; DE102018105234A1; CN112074718A

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Druckmessgeräts,wobei das Druckmessgerät eine Druckmesszelle (10) mit einem Messkondensator (C) und einen Referenzkondensator (C) aufweist, die mit einer internen Erregerspannung Uin Form eines alternierenden Rechtecksignals beaufschlagt werden, und der Druckmesswert p aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (C) und des Referenzkondensators (C) gewonnen wird,wobei die Erregerspannung Umittels des Messkondensators (C) durch Integration in ein Zwischensignal COM gewandelt wird,und wobei das Zwischensignal COM einem Komparator-Oszillator (SG) zugeführt wird, wodurch die Erregerspannung Ugeneriert wird,dadurch gekennzeichnet,dass zumindest ein Schwellwert des Komparator-Oszillators (SG) verändert wird, so dass die Erregerspannung Ueine variierende Frequenz aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Druckmessgeräts gemäß Kapazitive Drucksensoren bzw. -messgeräte 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. 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 kapazitives Druckmessgerät 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 sind aber für kapazitive Druckmesszellen geeignet. Das Besondere an diesem Druckmessgerät ist, dass es mit einer festen Betriebsfrequenz arbeitet und für die Auswertung des Messsignals am Ausgang, als Maß für den erfassten Druckmesswert, lediglich die Amplitude des Rechtecksignals relevant ist, unabhängig von dessen Frequenz.
Es kann jedoch die Situation eintreten, dass sich in der Umgebung, in der das Druckmessgerät eingesetzt wird, weitere Signalquellen verschiedenster Arten befinden, 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.
Als Stand der Technik werden die Dokumente EP 0 361 590 B1 , DE 10 2011 083 133 A1 und US 2007 / 0227 253 A1 genannt, die sich u.a. mit der Unterdrückung von Störeinflüssen befassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Druckmesszelle bzw. ein Druckmessgerät gegenüber fremden Signalquellen unempfindlich auszuführen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung angegeben.
Der Erfindungsgedanke besteht darin, die Betriebs- bzw. Arbeitsfrequenz des Druckmessgeräts fortlaufend zu variieren, so dass eine Resonanzbildung mit fremd eingekoppelten (Stör-)Frequenzen vermieden wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 ein Blockdiagramm eines kapazitiven Druckmessgeräts,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer kapazitiven Druckmesszelle,
3 eine bekannte Auswerteschaltung für eine kapazitive Druckmesszelle gemäß 2,
4 ein Ausschnitt der Auswerteschaltung aus 3 ergänzt um Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In 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 µC auf, in dem das analoge Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Der Mikrocontroller µC 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.
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 C_R und einen Messkondensator C_M bilden. Der Messkondensator C_M wird durch die Membranelektrode ME und die Mittelelektrode M gebildet, der Referenzkondensator C_R 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 C_M . Der Einfluss auf den Referenzkondensator C_R 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. C_M und C_R bezeichnen deshalb sowohl den Mess- bzw. Referenzkondensator an sich, als auch jeweils dessen Kapazität.
In 3 ist eine bekannte Auswerteschaltung 30 für die Druckmesszelle 10 näher dargestellt. Der Messkondensator C_M ist zusammen mit einem Widerstand R₁ in einem Integrierzweig IZ und der Referenzkondensator C_R zusammen mit einem Widerstand R₂ in einem Differenzierzweig DZ angeordnet. Am Eingang des Integrierzweigs IZ liegt eine Rechteckspannung U_E0 an, die vorzugsweise symmetrisch um 0 Volt variiert. Die Eingangsspannung U_E0 wird über den Widerstand R₁ und den Messkondensator C_M 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 Komparator-Oszillator 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-Hold-Schaltung S&H verbunden. Am Ausgang der Sample-and-Hold-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 OP1 sorgt dafür, dass der Verbindungspunkt P1 zwischen dem Widerstand R₁ und dem Messkondensator C_M virtuell auf Masse gehalten wird. Dadurch fließt ein konstanter Strom I₁ über den Widerstand R₁, der den Messkondensator C_M solange auflädt, bis die Rechteckspannung U_E0 ihr Vorzeichen wechselt.
Aus 3 ist ersichtlich, dass für den Fall R₁= R₂ und C_M = C_R 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 R₁ * C_M und R₂ * C_R zueinander gleich sind. Beim Nullpunktabgleich wird dieser Zustand über die variablen Widerstände R₁ bzw. R₂ entsprechend eingestellt. Wenn sich die Kapazität des Messkondensators C_M 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 Quotienten der beiden Zeitkonstanten abhängt. Man kann leicht zeigen, dass die Amplitude direkt proportional zum Prozessdruck p ~ C_R/C_M - 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&Hold-Schaltung S&H wird die positive und negative Amplitude A+ bzw. A- des Rechtecksignals bestimmt und der Betrag A als Messspannung U_Mess am Ausgang des Operationsverstärkers OP3 ausgegeben und an den Mikrocontroller µC (nicht gezeigt) weitergeleitet. Sie könnte aber auch direkt als Analogwert ausgegeben werden. Die Amplitude der Eingangsspannung U_E0, die am Ausgang des Rechteckgenerators RG anliegt, wird in Abhängigkeit der Messspannung U_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.
In 4 ist ein Teil der aus 3 bekannten Schaltung dargestellt, ergänzt um den erfindungsrelevanten Teil in Form eines Mikrocontrollers µC und einer Transistorschaltung OC, die mit dem Komparator-Oszillator SG verbunden ist. Auf die Darstellung der restlichen, für die weitere Signalauswertung notwendigen Teile wurde zur besseren Darstellung verzichtet und sind entsprechend aus 3 entnehmbar.
Die Umsetzung des Erfindungsgedankens, die Betriebs- bzw. Arbeitsfrequenz des Druckmessgeräts 1 zu variieren, um eine Resonanzbildung mit fremd eingekoppelten (Stör-)Frequenzen zu vermeiden, wird durch die Transistorschaltung OC erreicht, die als Open-Collector ausgeführt ist, d.h. der Emitter eines NPN-Transistor liegt auf dem Niveau der negativen Betriebsspannung und der Kollektor dient als Ausgang und ist mit dem nicht nichtinvertierenden Eingang des Komparator-Oszillators SG verbunden. Alternativ kann die Transistorschaltung OC kann auch ein IO-Port des Mikrocontrollers µC sein, wenn dieser als Open-Collector konfiguriert werden kann. Und auch der Komparator-Oszillator SG kann Teil des Mikrocontrollers µC sein.
Gesteuert wird die Transistorschaltung OC über einen Mikrocontroller µC, welcher auch identisch mit dem aus 1 bekannten Mikrocontroller sein kann und dann neben der Signalverarbeitung vorliegend mit der Transistoransteuerung eine weitere Aufgabe übernimmt. Die Aufgabe des Mikrocontrollers µC bezieht sich dabei im Wesentlichen auf die Bereitstellung eines zeitabhängigen Steuersignals.
Der grundsätzliche Aufbau des Komparators SG, bestehend aus einem Operationsverstärker und einem Spannungsteiler, ist dabei bekannt und entspricht soweit dem aus 3. Neu ist nun die Verbindung mit der Transistorschaltung OC. Im Folgenden wird nun erläutert, wie durch diese neue Beschaltung der Erfindungsgedanke umgesetzt wird.
Wie bereits erläutert liegt an dem Anschlusspunkt COM ein druckabhängiges linear ansteigendes bzw. abfallendes Spannungssignal, d.h. ein Dreiecksignal an, das dem Komparator SG zugeführt wird. Bei dem bekannten, ungesteuerten Komparator gibt ausschließlich der Spannungsteiler den oberen und den unteren Schwellwert als Umschaltzeitpunkt des Dreiecksignals vor und bestimmt so abhängig von dem aktuellen Kapazitätswert des Messkondensators C_M die Arbeitsfrequenz. Durch die Hinzunahme der Transistorschaltung OC wird der obere Umschaltzeitpunkt nun durch den Mikrocontroller µC zeitgesteuert bestimmt, indem der Transistor den Spannungsteilerabgriff am Komparator kurzzeitig kurzschließt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Druckmessgeräts, wobei das Druckmessgerät eine Druckmesszelle (10) mit einem Messkondensator (C_M) und einen Referenzkondensator (C_R) aufweist, die mit einer internen Erregerspannung U_E0 in Form eines alternierenden Rechtecksignals beaufschlagt werden, und der Druckmesswert p aus den Kapazitätswerten des Messkondensators (C_M) und des Referenzkondensators (C_R) gewonnen wird, wobei die Erregerspannung U_E0 mittels des Messkondensators (C_M) durch Integration in ein Zwischensignal COM gewandelt wird, und wobei das Zwischensignal COM einem Komparator-Oszillator (SG) zugeführt wird, wodurch die Erregerspannung U_E0 generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Schwellwert des Komparator-Oszillators (SG) verändert wird, so dass die Erregerspannung U_E0 eine variierende Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator-Oszillator (SG) einen Rechteckgenerator (RG) ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Variieren der Frequenz nach einem vorgegebenen Schema oder zufällig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Variieren der Frequenz mittels einer Transistorschaltung (OC) erfolgt, die kollektor-seitig mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparator-Oszillators (SG) verbunden ist und über ein Zeitglied gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitglied Teil eines Mikrocontrollers (µC) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator-Oszillators (SG) derart angesteuert wird, dass das druckabhängige Rechtecksignal an dessen Ausgang Zyklen mit variabler Frequenz und Zyklen mit fixer Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitfenster definiert wird, in dem eine bestimmte Anzahl von Zyklen durchlaufen werden, wobei die Länge des Zeitfensters an die Gesamtlänge der Zyklen im Zeitfenster angepasst wird.