用于操作电容式压力传感器的压力测量单元的方法与流程

1.本发明涉及用于操作电容式压力传感器的压力测量单元的方法。


背景技术：

2.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。电容式压力传感器或压力测量设备经常具有作为用于过程压力的换能器的陶瓷压力测量单元和用于信号处理的评估电子器件。
3.电容式压力测量单元由陶瓷基体和膜片构成，其中在基体与膜片之间布置玻璃焊环。基体与膜片之间形成的空腔由于压力影响而有利于膜片的纵向移动性。因此，该空腔也被称为测量室。在膜片的下侧和基体的相对的顶部上，设置有相应的电极，这些电极共同形成测量电容器。压力的作用导致膜片的变形，从而导致测量电容器中的电容的变化。
4.评估单元用于记录电容的变化并将其转换成压力测量值。这些压力传感器通常用于监测或控制过程。因此，压力传感器经常连接到上级控制单元(superordinate control unit，plc)。
5.de19851506c1公开了这样一种电容式压力传感器，其中由两个电容值的商来确定压力测量值，这两个电容值与测量电容器和参考电容器有关。尽管该专利说明书中没有具体描述压力测量单元，但是所示的电路和所述的方法适用于电容式压力测量单元。该压力测量设备的特点是，仅方波信号的振幅(与其频率无关)与评估作为所记录的压力测量值的度量的输出处的测量信号相关。
6.ep0569573b1公开了一种用于电容式压力传感器的电路布置，其同样涉及使用商值法来进行压力评估。
7.商值法通常基于以下压力相关性：
[0008][0009]
其中，cm表示测量电容器的电容，cr表示参考电容器的电容，p表示要确定的过程压力。还可以想到的是互换商中的cm和cr的选择。然而，分母中具有cm的指示示例是自线性化的益处的最常见形式。因此，除非另外指示，否则以下假定该实施例。
[0010]
由于生产公差，电容评估需要在工厂进行偏移补偿和增益调节，使得压力传感器或其中的评估电路也提供与额定压力范围内的测量压力相对应的过程值。
[0011]
例如从所引用的de19851506c1中已知的实践是通过对于某些电阻器进行激光修整来执行比较，这被越来越地发现是过于复杂的。此外，模拟功能块到微控制器的递增重新定位引起了对进一步优化偏移补偿和增益调节的需要。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的是提出用于在开头描述的电容式压力传感器的压力测量单元中进行偏移补偿和增益调节的简化且不受影响的电子架构。
[0013]
该目的通过具有权利要求1中特征的方法来实现。本发明的有利配置在从属权利要求中指定。
[0014]
本发明基于在开头引用的de19851506c1中描述的基本电路，其用于评估电容式压力测量单元，电容式压力测量单元包括压力相关测量电容器和理想的压力无关参考电容器。该评估电路的基本特征是，压力测量单元具有以交流方波信号的形式向其施加的内部激励电压u
e0
，并且压力测量值p是根据测量电容器和参考电容器的电容值获得的。然后，将该测量信号以交流方波信号ur的形式提供给评估单元，其中，针对上级控制单元(例如plc)调节测量信号。所述信号的脉冲电平或振幅取决于参考电容器和测量电容器的电容值的商，并且所述信号的周期持续时间是通过测量电容器的电容值来确定的。
[0015]
与现有电路相比的差异是根本不同的比较架构，并且因此提供各种优点。
[0016]
根据本发明，为了信号放大和偏移校正，将交流方波信号ur提供给另外放大器单元，首先通过对内部激励电压u
e0
进行振幅调节来执行信号放大，其次通过另外方波信号u
of
来执行偏移补偿。为了增益和偏移校正，先前已经在比较过程中将各个固定电压值存储在存储单元中。这些存储的电压值与预定时钟一起用于形成两个方波信号u
e0
和u
of
。最后，首先通过参考电容器和测量电容器的电容值的商的相乘影响来执行增益校正，其次，通过将方波信号u
of
提供给另外的放大器单元并因此将其添加到方波信号ur来执行偏移校正。
[0017]
电容式压力传感器有利地包括微控制器，在该微控制器中，除了别的以外，发生时钟生成和测量值调节。
[0018]
在本发明的改进中，用于形成两个方波信号u
e0
和u
of
的时钟是通过优选地集成在微控制器中的计时器来激励的。计时器优选地控制转换单元，并且用于形成用于两个方波信号u
e0
和u
of
的时钟。
[0019]
在本发明的另一改进中规定，两个方波信号u
e0
和u
of
的振幅是通过相应的数字电位计来调节的，数字电位计是经由将两个电位计与微控制器连接的串行数据总线来致动的。
[0020]
增益调节的类型可以适用于信号摆动取决于传感器电流的所有传感器元件。这也适用于微分操作传感器元件，并且特别适用于电阻测量电桥：半桥(分压器)或全桥(惠斯通电桥)。
[0021]
当偏移校正信号具有与测量元件电流相同的信号形状时，可以将用于微分操作测量元件的偏移校正应用(添加)到单端过程值。
[0022]
本发明提供了若干优点。这种新颖的比较架构的一个优点是对干扰的低敏感度，因为连接线可以根据架构而被设计为低阻抗。另外，由于最大程度地减少了电子部件的数量，该电路对于环境影响和老化而言非常健壮。此外，节省了成本和空间。其它优点是，在测量元件电流变化的过程中对增益的调节允许压力测量单元的与制造相关的公差彼此一致，并且这确保了限定的信噪比。最后，还应该提及增益设置独立于偏移设置。也就是说，偏移校正对先前设置的增益没有影响。相反，在增益变化之后，需要再次改变偏移校正，因为压力测量单元的偏移补偿要求也增加。而且，现在还可以将增益和偏移设置放置得更远离压力测量单元，而不会使信号质量受损。这例如在压力测量单元的区域中存在高温或在约束条件下是有用的。
附图说明
[0023]
下面将参考附图基于示例性实施例来更详细地解释本发明。
[0024]
示意性地：
[0025]
图1示出了电容式压力测量设备的框图；
[0026]
图2示出了电容式压力测量单元的示意性剖视图；
[0027]
图3示出了用于如图2所示的电容式压力测量单元的已知评估电路；
[0028]
图4示出了图3的评估电路，其中该评估电路添加有用于执行根据本发明的方法的第一实施例的微控制器；以及
[0029]
图5示出了图3的评估电路，其中该评估电路添加有用于执行根据本发明的方法的第二实施例的微控制器。
具体实施方式
[0030]
在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相应的部件。
[0031]
图1示出了用于测量过程压力p(例如油、奶、水等的压力)的典型电容式压力测量设备的框图。压力测量设备1被具体实施为双导体设备并且基本上由压力测量单元10和评估电子器件20构成。评估电子器件20包括模拟评估电路30和微控制器μc，其中，来自评估电路20的模拟输出信号被数字化并被进一步处理。微控制器μc将数字或模拟输出信号的形式的评估结果提供给例如plc。针对供电，压力测量设备1连接到电源线(12v-36v)。
[0032]
图2以示意图示出了如在电容式压力测量设备中常用的典型电容式压力测量单元10。压力测量单元10基本上由基体12和膜片14构成，该基体12和膜片14经由玻璃焊环16彼此连接。基体12和膜片14界定空腔19，该空腔19-优选地仅在最高50巴的低压范围内-经由通风通道18与压力测量单元10的后部连接。
[0033]
在基体12和膜片14上都设置了多个电极，这些电极形成了参考电容器cr和测量电容器cm。测量电容器cm由膜片电极me和中间电极m形成，参考电容器cr由环形电极r和膜片电极me形成。
[0034]
过程压力p作用在膜片14上，该膜片根据所施加的压力而或多或少地弯曲，其中从膜片电极me到中间电极m的距离本质上变化。这导致测量电容器cm的电容的对应变化。由于环形电极r与膜片电极me之间的距离变化程度小于膜片电极me与中间电极m之间的距离，因此对参考电容器cr的影响较小。
[0035]
下面没有画出电容器的标记与其电容值之间的区别。因此，cm和cr表示测量或参考电容器本身及其各自的电容。
[0036]
图3更详细地示出了用于压力测量单元10的已知评估电路30。测量电容器cm与电阻器r1一起布置在积分支路iz中，并且参考电容器cr与电阻器r2一起布置在微分支路dz中。积分支路iz的输入施加有方波电压u
e0
，其优选地关于0伏对称地交替。使用操作为积分器的运算放大器op1经由电阻器r1和测量电容器cm将输入电压u
e0
转换为线性升高或降低的电压信号(取决于输入电压的极性)，该信号在积分支路iz的输出com输出。测量点p1通过运算放大器op1虚拟接地。
[0037]
输出com连接到阈值比较器sg，该阈值比较器sg致动方波发生器rg。输出com处的电压信号u
com
一旦超过或低于阈值，比较器sg就改变其输出信号，于是方波发生器rg在不同
情况下反转其输出电压。
[0038]
微分支路dz还包括运算放大器op2、包含两个电阻器r5和r6的分压器以及反馈电阻器r7。运算放大器op2的输出连接到采样和保持电路s&h。采样和保持电路s&h的输出施加有测量电压u
mess
，根据该测量电压u
mess
获得作用在压力测量单元10上的过程压力p。
[0039]
下面更详细地解释该测量电路的操作。运算放大器op1确保电阻器r1与测量电容器cm之间的连接点p1虚拟保持接地。因此，恒定电流i1流过电阻器r1，并对测量电容器cm充电，直到方波电压u
e0
改变其算术符号。
[0040]
从图3可以看到，如果r1＝r2并且cm＝cr，则微分支路dz中的测量点p2与测量点p1处于相同电势，也就是说处于地电平，即使不存在测量点p2与运算放大器op2之间的连接。这不仅在该特定情况下适用，而且每当时间常数r1*cm和r2*cr彼此相同时也适用。零点比较使得该状态相应地经由可变电阻器r1和r2设置。如果测量电容器cm的电容由于压力的影响而变化，则积分支路iz和微分支路dz中的时间常数相同的条件不再存在，并且测量点p2处的电势将不同于零值。然而，运算放大器op2直接抵制这种变化，因为运算放大器op2继续虚拟保持连接点p2接地。因此，运算放大器op2的输出施加有方波电压ur，其振幅取决于两个时间常数的商。可以容易地看出，振幅与过程压力p～cr/c
m-1成正比，该相关性大致是线性的。该振幅可经由由两个电阻器r5和r6形成的分压器来设置。
[0041]
采样和保持电路s&h用于将方波信号的正振幅a+和负振幅a-的绝对值相加，以在运算放大器op3的输出处输出绝对值a作为测量电压u
mess
，并将其转发到微控制器μc(未示出)。然而，这也可以直接输出作为模拟值。基于测量电压u
mess
设置施加到方波发生器rg的输出的输入电压u
e0
的振幅，以便实现更好的线性度。为此，设置由电阻器r
20
和r
10
构成的分压器。该分压器连接到参考电压vref，并且有利地是可比较的。
[0042]
通常，正操作电压v+为+2.5v，负操作电压v-为-2.5v。
[0043]
图4示出了本发明的第一实施例。操作的基本方式对应于先前参考图3解释的方式。相对于参考地电势gnd_s对称的方波信号u
e0
用于对两个单元电容cm和cr充电和放电。由于两个运算放大器op1和op2控制其负输入处的电势gnd_s，因此电流i
mess
和i
ref
由i
mess
＝u
e0
/r1和i
ref
＝u
e0
/r2来定义。由于反馈路径中具有电容cm的运算放大器op1作为积分器，因此在其输出处形成三角波形电压u
com
。该三角波形电压又作用在电容cr上，于是在该路径中形成方波信号形式的电流i
diff
。由于运算放大器op2以电流i
zusatz
将其负输入处的电势恒定地控制到gnd_s，因此在其输出处形成与比值cr/cm成比例的电压ur。
[0044]
现在一个新的方面是放大器电路ve，其包括运算放大器op4和电阻器r
104
和r
105
。放大器电路ve具有两个功能：首先放大信号ur，其次添加了信号u
of
。
[0045]uof
以与内部激励信号u
e0
相同的方式生成。用于两个方波信号u
e0
和u
of
的时钟由计时器60激励，该计时器60又由从图3中已知的阈值比较器sg馈送。因此，两个信号u
e0
和u
of
具有相同的频率。计时器60使用所述时钟来控制转换单元70，其例如可以被具体实施为复用器。转换单元70影响存储在存储单元40中的电压值的激活。这些电压值包括各种固定的正和负增益和偏移校正值，并且已经在先前比较过程中确定并存储在存储单元40中。如从图4可以看到的，转换单元70使用由计时器60预定的u
e0
和u
of
的时钟，以生成具有可变振幅的相应方波信号。相应的数模转换器(dac)用于将两个方波信号u
e0
和u
of
作为模拟信号输出，并且在u
e0
的情况下，将其提供给压力测量单元10的电容cm和cr，或者在u
of
的情况下，将其提供
给上述放大器电路ve(即运算放大器op4)。
[0046]
上面已经解释了放大器电路ve放大信号ur并添加信号u
of
。结果在图4中表示为u
r1
，然后在微控制器μc和位于其中的cpu 50中进行调节，并在微控制器μc的输出处提供以供进一步使用。
[0047]
下面的传递函数揭示了u
e0
如何用乘法影响比值cr/cm并因此可以用作传感器系统的增益设置的操纵变量-并且相对地，信号u
of
被加性地应用于有用信号-并因此可以用作偏移补偿的操纵变量：
[0048][0049]
可以通过以相对于u
e0
信号的相位反转的方式操作u
of
信号的相位来实现负偏移。
[0050]
图5示出了本发明的第二实施例。与图4所示的实施例不同，两个方波信号u
e0
和u
of
不是已经在微控制器μc中生成的，而是由位于微控制器μc外部的相应数字电位计dp1、dp2生成的。两个电位计dp1、dp2经由将两个电位计dp1、dp2连接到微控制器μc的串行数据总线而致动并因此执行振幅调节。串行数据总线可以例如被具体实施为i2c或spi通信协议。
[0051]
由计时器40控制的转换单元70现在仅包括一个开关，其仅根据预定的时钟在“高”和“低”之间或者在“0”和“1”之间转换。为偏移校正值的极性设置另外开关，且从存储器40直接致动该开关，如虚线所表示。除了偏移极性之外，存储器40还存储期望的增益或偏移校正所需的电压值。
[0052]
现在，数字时钟信号经由gpio(通用输入/输出)端口输出，并被提供给两个电位计dp1、dp2，这两个电位计使用该数字时钟信号以及经由串行数据总线发送的振幅值，来生成从图4已知的相应的模拟方波信号u
e0
或u
of
。
[0053]
附图标记列表
[0054]
1压力测量设备
[0055]
10压力测量单元
[0056]
12基体
[0057]
14膜片
[0058]
16玻璃焊环
[0059]
18通风通道
[0060]
19空腔
[0061]
20评估电子器件
[0062]
30评估电路
[0063]
40存储器
[0064]
50中央处理单元，cpu
[0065]
60计时器
[0066]
70转换单元
[0067]cm
测量电容器
[0068]cr
参考电容器
[0069]
m中间电极
[0070]
r环形电极
[0071]
me膜片电极
[0072]
iz积分支路
[0073]
dz微分支路
[0074]
sg阈值比较器
[0075]
rg方波发生器
[0076]
ve放大器单元
[0077]
dp1数字电位计
[0078]
dp2数字电位计

技术特征：
1.一种用于操作电容式压力传感器(1)的压力测量单元(10)的方法，其中，所述压力测量单元(10)包括压力相关测量电容器(c
m
)和参考电容器(c
r
)，所述测量电容器和所述参考电容器具有以交流方波信号的形式向它们施加的内部激励电压u
e0
，并且根据所述测量电容器(c
m
)和所述参考电容器(c
r
)的电容值获得压力测量值p，其中，测量信号以交流方波信号u
r
的形式提供给评估单元，所述信号的脉冲电平取决于所述参考电容器(c
r
)和所述测量电容器(c
m
)的所述电容值的商，并且所述信号的周期持续时间是通过所述测量电容器(c
m
)的电容值来确定的，其特征在于，为了信号放大和偏移校正，将交流方波信号u
r
提供给放大器单元(ve)，通过对所述内部激励电压u
e0
进行振幅调节来执行信号放大，并且通过另外方波信号u
of
来执行偏移补偿，并且为了增益和偏移校正，已经在比较过程中将各个固定电压值存储在存储单元(40)中，其中，这些存储的电压值与预定时钟一起用于形成所述两个方波信号u
e0
和u
of
，并且其中，通过所述参考电容器(c
r
)和所述测量电容器(c
m
)的所述电容值的所述商的相乘影响来执行增益校正，并且通过将所述方波信号u
of
提供给所述放大器单元(ve)并因此将其添加到所述方波信号u
r
来执行偏移校正。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力传感器(1)包括微控制器(μc)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用于形成所述两个方波信号u
e0
和u
of
的所述时钟是通过计时器(60)来激励的。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计时器(60)控制转换单元(70)，并且用于形成用于所述两个方波信号u
e0
和u
of
的所述时钟。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述两个方波信号u
e0
和u
of
的振幅是通过相应的数字电位计(dp1、dp2)来调节的，所述数字电位计是经由将两个电位计(dp1、dp2)连接到所述微控制器(μc)的串行数据总线来致动的。

技术总结
本发明涉及用于操作电容式压力传感器(1)的压力测量单元(10)的方法，其中，压力测量单元(10)包括压力相关测量电容器(C


技术研发人员：西蒙
受保护的技术使用者：IFM电子股份有限公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/9/13