DE3504329C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Differenzdruckmeßgerät mit einem flüssigkeitsgefüllten Einkammerdifferenzdrucksensor, der zwei Meßkondensatoren enthält, deren Kapazitäten sich mit einem zu erfassenden Differenzdruck gegensinnig und mit der Temperatur gleichsinnig ändern, und die über je eine Meßschaltung zur Bildung von Kehrwerten aus den Kapazitätswerten einerseits mit einem Subtrahierglied zur Bildung von Druckmeßwerten aus der Differenz und andererseits mit einem Summierer zur Bildung von Temperaturmeßwerten aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte verbunden sind, sowie mit einem Subtrahierer, dessen einem Eingang Druckmeßwerte vom Subtrahierglied zugeführt sind, einer Subtrahierschaltung, deren einem Eingang Temperaturmeßwerte vom Summierer zugeführt sind, einem ersten und zweiten Rechner und einer Anzeigevorrichtung.

Aus der DE-OS 33 21 580 ist ein Differenzdruckmeßgerät eingangs genannter Art bekannt, welches vom Einkammerdifferenzdrucksensor verursachte Meßfehler korrigiert, indem von den Druckmeßwerten in einer ersten Subtrahierschaltung Korrekturwerte subtrahiert werden, die ein Maß für die Nullpunktsverschiebung des Einkammerdifferenzdrucksensors aufgrund von Fertigungstoleranzen sind und indem in einer weiteren Subtrahierschaltung von den Druckmeßwerten weitere Korrekturwerte subtrahiert werden, die ein Maß für die temperaturabhängige Nullpunktsdrift des Einkammerdifferenzdrucksensors sind. Im Anschluß daran werden diese teilweise korrigierten Druckmeßwerte in einer Dividierschaltung durch zusätzliche Korrekturwerte dividiert, welche der sowohl von der Temperaturänderung der Flüssigkeit als auch von fertigungsbedingten Toleranzen abhängigen Empfindlichkeit des Einkammerdifferenzdrucksensors entsprechen. Die Dividierschaltung erzeugt somit ein Signal, dessen Wert näherungsweise der Differenz der auf die Meßmembranen des Einkammerdifferenzdrucksensors einwirkenden Drücke entspricht. Hierbei werden die der Nullpunktsdrift und der Empfindlichkeit des Einkammerdifferenzdrucksensors entsprechenden Korrekturwerte aus Temperaturmeßwerten des Einkammerdifferenzdrucksensors gebildet, die ebenfalls unter Verwendung einfacher Rechenglieder korrigiert werden. Bei den Korrekturen der Druck- und Temperaturmeßwerte wird hierbei von linearen Abhängigkeiten der Summe der reziproken Kapazitätswerte von der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors und der Differenz der reziproken Kapazitätswerte von dem zu messenden Differenzdruck ausgegangen. Unberücksichtigt bleibt, daß die Temperaturmeßwerte auch von der ersten und der zweiten Potenz des zu messenden Differenzdruckes abhängen. Außerdem sind die Druckmeßwerte wegen der Temperaturabhängigkeit der Federkonstanten der Meßmembranen von der ersten und der zweiten Potenz der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors und wegen der Abhängigkeit der Federkonstanten der Meßmembranen von der Auslenkung auch von der dritten Potenz des zu messenden Differenzdruckes abhängig. Die vom bekannten Differenzdruckmeßgerät gelieferten Differenzdruckwerte sind somit wegen der unvollständigen Korrektur der Meßfehler um so ungenauer, je höher die Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors ist und je größer der auf die Meßmembranen des Einkammerdifferenzdrucksensors einwirkende Differenzdruck ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Differenzdruckmeßgerät zu schaffen, das auch größere Differenzdrücke unabhängig von Temperaturschwankungen des Einkammerdifferenzdrucksensors genau mißt.

Diese Aufgabe wird bei einem Differenzdruckmeßgerät eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß der erste Rechner dem anderen Eingang des Subtrahierers Druckschätzwerte zuführt, daß der Ausgang des Subtrahierers einen Integrierer zur Erzeugung eines dem zu messenden Differenzdruck entsprechenden Drucksignals ansteuert, das der Anzeigevorrichtung und dem ersten Rechner zugeführt wird, daß der zweite Rechner dem anderen Eingang der Subtrahierschaltung Temperaturschätzwerte zuführt, daß der Ausgang der Subtrahierschaltung ein Integrierglied zur Erzeugung eines Temperatursignals mit einem der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors entsprechenden Wert ansteuert, das dem ersten Rechner und dem zweiten Rechner zugeführt wird, daß letzterer außerdem vom Integrierer mit dem Drucksignal angesteuert wird, und daß der erste Rechner zur Bestimmung der Druckschätzwerte aus dem Druck- und dem Temperatursignal anhand einer gespeicherten, druck- und temperaturabhängigen Differenzdruckmeßdruckeichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors und der zweite Rechner zur Bestimmung der Temperaturschätzwerte aus dem Druck- und dem Temperatursignal anhand einer gespeicherten, druck- und temperaturabhängigen Temperatureichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors ausgelegt sind.

Hierbei werden die Temperaturmeßwerte in einem ersten aktiven Filter soweit korrigiert, daß ein zweites aktives Filter aus den Druckmeßwerten und einem vom ersten aktiven Filter gelieferten fehlerfreien Temperatursignal ein Drucksignal erzeugt, dessen Werte dem auf den Einkammerdifferenzdrucksensor einwirkenden Differenzdruck genau entsprechen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Sie zeigt das aus einem Einkammerdifferenzdrucksensor und einer Auswerteschaltung bestehende Differenzdruckmeßgerät.

Das in der Figur dargestellte Differenzdruckmeßgerät weist einen Einkammerdifferenzdrucksensor 1 auf, der aus einem keramischen Grundkörper 2 besteht, in den ein durchgehender Kanal 3 eingearbeitet ist. Auf zwei Seiten des Grundkörpers 2 sind ebenfalls aus Keramik bestehende Membranen 4 und 5 befestigt. Sie können beispielsweise auf den Grundkörper 2 aufgeklebt sein. Die Membranen 4 und 5 bilden mit dem Grundkörper 2 einen geschlossenen Hohlraum, der mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist. Der Grundkörper 2 und die Membranen 4 und 5 können beispielsweise aus Aluminium-Oxyd-Keramik bestehen. Die Flüssigkeit kann beispielsweise Silikonöl sein.

Die Innenseiten der Membranen 4 und 5 sind mit Schichtelektroden belegt, die mit auf den gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 2 aufgebrachten weiteren Schichtelektroden Meßkondensatoren C 1 und C 2 bilden.

Die Schichtelektroden der Meßkondensatoren C 1 und C 2 sind mit Meßschaltungen 6 und 7 verbunden, welche die Kapazitäten der Meßkondensatoren C 1 und C 2 erfassen und Signale erzeugen, deren Werte der reziproken Kapazität des jeweiligen Meßkondensators entsprechen. Die Meßschaltungen 6 und 7 können beispielsweise als Operationsverstärker ausgebildet sein, die über je einen Meßkondensator C 1 bzw. C 2 gegengekoppelt sind, von einem Oszillator mit einem Signal mit konstanter Frequenz gespeist werden und ausgangsseitig mit einem Gleichrichter verbunden sind.

Die von den Meßschaltungen 6 und 7 erzeugten Signale werden einerseits einem Subtrahierglied 8 zur Bildung von Druckmeßwerten aus der Differenz der reziproken Kapazitätswerte der Meßkondensatoren C 1 und C 2 und andererseits einem Summierer 9 zur Bildung von Temperaturmeßwerten aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte der Meßkondensatoren C 1 und C 2 zugeführt. Die Druckmeßwerte entsprechen hierbei näherungsweise der Differenz der auf die Membranen 4 und 5 einwirkenden Drücke P 1 und P 2, während die Temperaturmeßwerte näherungsweise der Temperatur der im Einkammerdifferenzdrucksensor befindlichen Flüssigkeit entsprechen.

Die Ausgangsklemme des Subtrahiergliedes 8 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Subtrahierers 10 verbunden, dessen invertierender Eingang von einem ersten Rechner 11 angesteuert wird. Der Subtrahierer 10 steuert einen Integrierer 12 an, der einerseits an eine Anzeigevorrichtung 13 und andererseits an einen Eingang des ersten Rechners 11 angeschlossen ist.

Der Summierer 9 ist ausgangsseitig mit dem nicht-invertierenden Eingang einer Subtrahierschaltung 14 verbunden, deren invertierender Eingang von einem zweiten Rechner 15 angesteuert wird. Die Subtrahierschaltung 14 ist ausgangsseitig mit einem Integrierglied 16 verbunden, das mit den Eingängen des ersten und des zweiten Rechners 11 und 15 verbunden ist. Der Rechner 15 wird außerdem vom Integrierer 12 angesteuert. Die Rechner 11 und 15 können beispielsweise als digitale Rechenglieder ausgebildet sein, deren Eingänge mit A/S-Wandlern und deren Ausgänge mit D/A-Wandlern verbunden sind. Hierbei sind die Rechenglieder 8, 9, 10, 12, 14 und 16 als analoge Rechenglieder ausgebildet, die analoge Spannungssignale aufnehmen, verarbeiten und erzeugen.

Die Rechenglieder 8, 9, 10, 12, 14 und 16 können auch als digitale Rechenglieder ausgebildet sein, wobei dann den Meßschaltungen 6 und 7 je ein A/D-Wandler nachgeschaltet ist. Hierbei werden die digitalen Rechenglieder 11 und 15 ohne Verwendung von A/D- bzw. D/A-Wandlern betrieben.

Weiterhin können die Meßschaltungen 6 und 7 als Oszillatoren ausgebildet sein, deren Frequenz sich mit der reziproken Kapazität von Kondenstoren ändert, die in dem frequenzbestimmenden Schaltungsteil des jeweiligen Oszillators enthalten sind. Die Kondensatoren werden im Ausführungsbeispiel von den Meßkondensatoren C 1 und C 2 gebildet. Hierbei sind die Rechenglieder 8, 9, 10, 12, 14 und 16 derart ausgebildet, daß sie Frequenzsignale verarbeiten. Die digitalen Rechenglieder 11 und 15 sind hier eingangs- bzw. ausgangsseitig mit Wandlern verbunden, die Frequenzsignale in digitale Signale bzw. digitale Signale in Frequenzsignale umwandeln.

Wirkt auf die Membrane 4 ein Druck P 1, der größer ist als ein auf die Membrane 5 einwirkender Druck P 2, erzeugt das Subtrahierglied 8 dem Differenzdruck Δ P=P 1-P 2 näherungsweise entsprechende positive Druckmeßwerte. Gleichzeitig erzeugt der Summierer 9 Temperaturmeßwerte, die der Temperatur T der Flüssigkeit im Einkammerdifferenzdrucksensor 1 näherungsweise entsprechen.

Hierbei werden die Druckmeßwerte aus der Differenz der reziproken Kapazitätswerte der Meßkondensatoren C 1 und C 2 gebildet, die sich aus der Temperatur T der Flüssigkeit und der Differenz Δ P der Drücke P 1 und P 2 nach folgender Beziehung ergibt:

1/C 1 - 1/C 2 = f + g T + hT² + i Δ P + k Δ P³ + 1 Δ PT + m Δ PT²

Die Temperaturmeßwerte werden aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte der Meßkondensatoren C 1 und C 2 gebildet, die sich nach der folgenden Beziehung ergibt:

1/C 1 + 1/C 2 = a + b T + c T ² + d Δ P + e Δ P²

Hierbei bedeuten

a, fder Nullpunktsverschiebung der Meßwerte aufgrund von Fertigungstoleranzen des Einkammerdifferenzdrucksensors entsprechende Größen,b, cder Empfindlichkeit bei der Temperaturerfassung entsprechende Größen, die von der Volumenänderung der Füllflüssigkeit bei Temperaturänderung abhängen,d, evon fertigungsbedingten Asymmetrien des Sensors abhängige Größen,g, hder Temperaturabhängigkeit der fertigungsbedingten Nullpunktsverschiebung entsprechende Größen,i, kvon der Federkonstanten der Membranen 4 und 5 abhängige Größen, welche die Empfindlichkeit des Einkammerdifferenzdrucksensors bestimmen,l, mder Temperaturabhängigkeit der Federkonstanten der Membranen 4 und 5 entsprechende Größen.

Die Größen a bis m sind auf allgemein bekannte Weise meßtechnisch ermittelbar.

Zur Ermittlung eines Drucksignales mit einem dem zu messenden Differenzdruck genau entsprechenden Wert aus den Druckmeßwerten ist dem Subtrahierglied 8 ein aus dem Subtrahierer 10, dem Integrierer 12 und dem ersten Rechner 11 bestehendes aktives Filter nachgeschaltet. Zur Ermittlung des Drucksignales ist ein Temperatursignal erforderlich, dessen Wert der Temperatur der Füllflüssigkeit des Einkammerdifferenzdrucksensors 1 genau entspricht und das unter Verwendung eines weiteren aus der Subtrahierschaltung 14, dem Integrierglied 16 und dem zweiten Rechner bestehenden aktiven Filters aus den Temperaturmeßwerten ermittelt wird. Im Ausführungsbeispiel wird das Drucksignal einer Anzeigevorrichtung 13 zugeführt, die den genauen Wert des auf die Membranen 4 und 5 einwirkenden Differenzdruckes Δ P = P 1 - P 2 zur Anzeige bringt.

Die aktiven Filter funktionieren wie folgt:
Wird das Differenzdruckmeßdruckmeßgerät eingeschaltet, erzeugt der Integrierer 12 bzw. das Integrierglied 16 ein Druck- bzw. Temperatursignal, dessen Wert zunächst gleich Null ist. Dem ersten und zweiten Rechner 11 und 15 werden somit Nullsignale zugeführt, so daß die Rechner 11 und 15 Druck- bzw. Temperaturschätzwerte erzeugen, deren Wert gleich f bzw. a ist. Vom Subtrahierglied 8 bzw. vom Summierer 9 werden beispielsweise diese Werte übersteigende Druck- bzw. Temperaturmeßwerte geliefert, von denen die Druck- bzw. Temperaturschätzwerte subtrahiert werden. Die sich ergebenden Differenzen werden dem Integrierer 12 bzw. dem Integrierglied 16 zugeführt. Dadurch erzeugt der Integrierer 12 bzw. das Integrierglied 16 ein Druck- bzw. Temperatursignal mit anwachsendem Wert. Beide Signale werden sowohl dem ersten als auch dem zweiten Rechner 11 und 15 zugeführt, die daraus ebenfalls anwachsende Druck- bzw. Temperaturschätzwerte erzeugen.

Solange die Druck- bzw. Temperaturmeßwerte größer als die Druck- bzw. Temperaturschätzwerte sind, liefert der Subtrahierer 10 bzw. die Subtrahierschaltung 14 an den Integrierer 12 bzw. das Integrierglied 16 ein Signal mit positiven, von Null abweichenden Werten, so daß auch die Werte des vom Integrierer 12 bzw. vom Integrierglied 16 gelieferten Druck- bzw. Temperatursignales und damit auch die Druck- bzw. die Temperaturschätzwerte anwachsen. Erst wenn die Druckschätzwerte gleich den Druckmeßwerten bzw. die Temperaturschätzwerte gleich den Temperaturmeßwerten sind, wird die vom Subtrahierer 10 bzw. von der Subtrahierschaltung 14 gebildete Differenz aus Schätz- und Meßwerten zu Null, und die Werte des vom Integrierer 12 bzw. vom Integrierglied 16 erzeugten Druck- bzw. Temperatursignales bleiben konstant.

Hierbei werden anhand derselben Eichfunktion sowohl vom ersten Rechner 11 die Druckschätzwerte als auch vom Subtrahierglied 8 die Druckmeßwerte ermittelt, so daß bei Gleichheit der Druckmeßwerte und er Druckschätzwerte auch die Werte des vom Einkammerdifferenzdrucksensor 1 erfaßten Differenzdruckes und des dem ersten Rechner 11 zugeführten Drucksignales gleich sind.

Auch im zweiten Rechner 15 werden die Temperaturschätzwerte aus dem Druck- und dem Temperatursignal anhand derselben Temperatureichfunktion ermittelt, anhand derer auch im Summierer 9 die Temperaturmeßwerte aus der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 1 ermittelt werden, so daß auch hier bei Gleichheit der Temperaturmeßwerte und der Temperaturschätzwerte die Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors 1 denselben Wert hat wie das dem zweiten Rechner 15 zugeführte Temperatursignal.

Hierbei ermittelt der erste Rechner 11 die Druckschätzwerte D anhand der Beziehung

D = f + gT + hT² + iP + kP³ + lPT + mPT²

Diese Formel entspricht der meßtechnisch ermittelbaren Druckeichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors 1, wobei T die Werte des Temperatursignales und P die Werte des Drucksignales bedeuten. Der zweite Rechner 15 bestimmt die Temperaturschätzwerte TS anhand der Beziehung

TS = a + bT + cT² + dP + eP²,

die der ebenfalls meßtechnisch ermittelbaren Temperatureichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors 1 entspricht. Bei Gleichheit der Meßwerte und der Schätzwerte stimmen auch der vom Einkammerdifferenzdrucksensor 1 erfaßte Differenzdruck Δ P und der Wert P des Drucksignales überein, so daß dann auch der in der Anzeigevorrichtung 13 angezeigte Meßwert genau dem vom Einkammerdifferenzdrucksensor 1 erfaßten Differenzdruck Δ P entspricht.

Claims (1)

1. Differenzdruckmeßgerät mit einem flüssigkeitsgefüllten Einkammerdifferenzdrucksensor (1), der zwei Meßkondensatoren (C 1 und C 2) enthält, deren Kapazitäten sich mit einem zu erfassenden Differenzdruck gegensinnig und mit der Temperatur gleichsinnig ändern, und die über je eine Meßschaltung (6, 7) zur Bildung von Kehrwerten aus den Kapazitätswerten einerseits mit einem Subtrahierglied (8) zur Bildung von Druckmeßwerten aus der Differenz und andererseits mit einem Summierer (9) zur Bildung von Temperaturmeßwerten aus der Summe der reziproken Kapazitätswerte verbunden sind, sowie mit einem Subtrahierer (10), dessen einem Eingang Druckmeßwerte vom Subtrahierglied (8) zugeführt sind, einer Subtrahierschaltung (14), deren einem Eingang Temperaturmeßwerte vom Summierer (9) zugeführt sind, einem ersten und zweiten Rechner (11, 15) und einer Anzeigevorrichtung (13), dadurch gekennzeichnet, daß der erste Rechner (11) dem anderen Eingang des Subtrahierers (10) Druckschätzwerte zuführt, daß der Ausgang des Subtrahierers (10) einen Integrierer (12) zur Erzeugung eines dem zu messenden Differenzdruck entsprechenden Drucksignals ansteuert, das der Anzeigevorrichtung (13) und dem ersten Rechner (11) zugeführt wird, daß der zweite Rechner (15) dem anderen Eingang der Subtrahierschaltung (14) Temperaturschätzwerte zuführt, daß der Ausgang der Subtrahierschaltung (14) ein Integrierglied (16) zur Erzeugung eines Temperatursignals mit einem der Temperatur des Einkammerdifferenzdrucksensors (1) entsprechenden Wert ansteuert, das dem ersten Rechner (11) und dem zweiten Rechner (15) zugeführt wird, daß letzterer außerdem vom Integrierer (12) mit dem Drucksignal angesteuert wird und daß der erste Rechner (11) zur Bestimmung der Druckschätzwerte aus dem Druck- und dem Temperatursignal anhand einer gespeicherten, druck- und temperaturabhängigen Differenzdruckeichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors (1) und der zweite Rechner (15) zur Bestimmung der Temperaturschätzwerte aus dem Druck- und dem Temperatursignal anhand einer gespeicherten, druck- und temperaturabhängigen Temperatureichfunktion des Einkammerdifferenzdrucksensors (1) ausgelegt sind.