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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Differenzdruckmessung nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine entsprechende Messanordnung
zur Differenzdruckmessung nach dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Herkömmliche
derartige Verfahren zum Messen von Druckdifferenzen, bei denen mittels
eines ersten Drucksensors ein erster Druckmesswert und mittels eines
zweiten Drucksensors ein zweiter Druckmesswert ermittelt werden,
wobei in Abhängigkeit
von den beiden Druckmesswerten ein Differenzdruck berechnet wird,
sind insbesondere dann mit dem Nachteil einer nicht hinreichend
hohen Genauigkeit behaftet, wenn zwischen den beiden Druckmesswerten,
die jeweils einen Einzeldruck repräsentieren, eine Druckdifferenz
besteht, die betragsmäßig deutlich
kleiner ist als die Einzeldrücke,
beispielsweise bei einem Verhältnis
von an den einzelnen Drucksensoren anliegenden Ein zeldrücken zur
Druckdifferenz von größenordnungsmäßig etwa
20 zu 1.
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Zur
Lösung
dieses Problems sind im Stand der Technik Verfahren zur direkten
Differenzdruckmessung bekannt, bei denen auf zwei Seiten eines einzigen
Druckwandlerelements die beiden Einzeldrücke oder Teildrücke (gelegentlich
auch jeweils als Linepressure bezeichnet) anliegen, deren Differenz gemessen
werden soll. Das Druckwandlerelement wird dabei in der Regel gegeben
sein durch eine Membran als Verformungskörper mit geeignet angebrachten
mechano-elektrischen Wandlerelementen. Nachteilig bei derartigen
Verfahren ist, dass dabei die auf mindestens einer Seite des Druckwandlerelementes
angebrachten mechano-elektrischen Wandlerelemente einem Medium ausgesetzt
sind, dessen Druck gemessen werden soll. Das kann schon bei leicht
aggressiven Medien, wie beispielsweise Öl oder Luft oder salzhaltigen
Medien, zu Korrosionserscheinungen und damit verbundenen Sensorausfällen führen. Zu
deren Vermeidung sind Schutzvorkehrungen, wie Beschichtungen oder
Schutz durch Ölfüllungen
unter Verwendung von Glasdurchführungen zum
hermetischen Abschluss, vorgeschlagen worden, die jedoch sehr aufwendig
und damit teuer sind. Auch bieten solche Vorkehrungen je nach Art
der Beschichtung nur einen nachteilig begrenzten Schutz gegen eine
eingeschränkte
Auswahl von Medien. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die
wegen der Beziehung zwischen geforderter Differenzdruckauflösung und
Wandlerempfindlichkeit – abhängig beispielsweise
von einer Membrandicke – limitierte Überdruckfestigkeit
entsprechender Differenzdrucksensoren für eine direkte Differenzdruckmessung. Das
hat zur Folge, dass nur ein sehr begrenztes Verhältnis von Differenzdruckauflösung zu
den höchstzulässigen Einzeldrücken erreicht
werden kann oder dass die ver wendeten Wandlerelemente und damit die
Differenzdrucksensoren eine sehr große Bauform erhalten.
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Aus
der Druckschrift
EP
0 764 839 A1 ist z. B. eine Anordnung zur direkten Differenzdruckmessung
bekannt, bei der zusätzlich
zu einem eigentlichen Differenzdrucksensor zwei mit jeweils einer Membran
versehenden Druckmittler vorgesehen sind, die darüber hinaus
Temperatursensoren aufweisen, damit zu Korrekturzwecken Temperaturen der
Druckmittler gemessen werden können. Ähnliche Anordnungen
zur direkten Differenzdruckmessung sind auch aus den Druckschriften
DE 101 50 691 A1 und
DE 196 33 630 A1 bekannt.
Aus der Druckschrift
DE
34 14 896 C2 ist ein Differenzdrucksensor bekannt, bei
dem von zwei Membranen mit Messkondensatoren stammende Messsignale
in je einer Messschaltung durch jeweils einen temperaturabhängigen Korrekturkondensator
in temperaturabhängige
Messsignale umgewandelt werden und diese temperaturabhängigen Messsignale
in einem Subtrahierglied verarbeitet werden. Auch hier misst der
Differenzdrucksensor, wenngleich er zwei Membranen umfasst, den
Differenzdruck insofern direkt, als beide Membranen zumindest indirekt
mit beiden zu messenden Einzeldrücken
beaufschlagt werden, so dass die zwei genannten Messsignale keinem
der Einzeldrücke
allein zuzuordnen sind.
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Die
eingangs erwähnte
Alternative einer Verwendung von zwei Drucksensoren mit anschließender Differenzbildung
auf mathematischem Wege scheiterte für entsprechende Anwendungen
bislang an der durch diese Vorgehensweise implizierten Verstärkung der
sich summierenden Fehler der einzelnen Drucksensoren, was bei entsprechenden
bislang bekannten Messanordnungen zu einem nicht mehr akzeptablen
Gesamtfehler eines Dif ferenzsignals führt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Differenzdruckmessung vorzuschlagen, das die erwähnten Nachteile überwindet,
mit dem also auch verglichen zu den Einzeldrücken ausgesprochen kleine Druckdifferenzen
sehr genau messbar sind, wobei dazu verwendete Drucksensoren vor
einer zu leichten Beschädigung
durch aggressive Messmedien oder durch ungewöhnlich hohe Druckdifferenzen
schätzbar
sein soll. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine
entsprechende Messanordnung vorzuschlagen, mit der ein derartiges
Verfahren zur Differenzdruckmessung durchgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie durch eine
Messanordnung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung ergeben sich
mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass bei dem vorgeschlagenen Verfahren in einer Umgebung des Ersten
Drucksensors eine erste Temperatur gemessen wird und in einer Umgebung
des zweiten Drucksensors eine zweite Temperatur gemessen wird und
dass in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert und der ersten Temperatur ein korrigierter
erster Druck berechnet wird und in Abhängigkeit vom zweiten Druckmesswert und
der zweiten Temperatur ein korrigierter zweiter Druck berechnet
wird, wobei der Differenzdruck als Differenz zwischen dem korrigierten
ersten Druck und dem korrigierten zweiten Druck gebildet wird, wird
einerseits eine hinreichend genaue Messung der Druckdifferenz zwischen
den Einzeldrücken
auch dann möglich,
wenn diese verhältnismäßig klein
ist, während
gleichzeitig beide Drucksensoren bei Bedarf so gestaltet werden
können,
dass in den Drucksensoren verwendete Wandlerelemente einem zu vermessenden
Medium nicht ausgesetzt sind. Das beschriebene Verfahren eignet
sich damit insbesondere zur Differenzdruckmessung in aggressiven
Medien, beispielsweise zur Prozessmesstechnik oder zur Differenzdruckmessung
in Anlagen für
alternative Energiegewinnung, zur Differenzdruckmessung an Einspritzanlagen
oder allgemein zur Motorsteuerung oder zur Differenzdruckmessung
in Hydraulikanlagen, über Öl-, Luft-
oder ähnlichen
Filtereinrichtungen. Auch lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren
durch ungewöhnlich
hohe Druckdifferenzen verursachte Schäden vermeiden, weil zwei Drucksensoren
verwendet werden. Eine Signal- oder Datenverarbeitung geschieht
bei dem beschriebenen Verfahren typischerweise jeweils in digitaler
Form, aber auch eine zumindest teilweise analoge Verarbeitung der
Druckmesswerte zur Bestimmung des Differenzdrucks ist selbstverständlich möglich.
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Die
dementsprechend vorteilhafte Messanordnung zur Differenzdruckmessung,
mit der ein solches Verfahren durchführbar ist, umfasst neben dem ersten
Drucksensor zum ermitteln des ersten Druckmesswertes und dem zweiten
Drucksensor zum Ermitteln des zweiten Druckmesswertes auch eine
Recheneinheit zum Berechnen des Differenzdrucks in Abhängigkeit
von den Druckmesswerten, wobei diese Messanordnung ferner einen
ersten Temperatursensor zum Messen der ersten Temperatur in einer Umgebung
des ersten Drucksensors und einen zweiten Temperatursensor zum Messen
der zweiten Temperatur in einer Umgebung des zweiten Drucksensors
aufweist, wobei die Recheneinheit ferner Mittel zum Korrigieren
des ersten Druckmesswertes, die einen korrigierten ersten Druck
in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert und von der ersten Temperatur ausgeben,
sowie Mittel zum Korrigieren des zweiten Druckmesswertes, die einen
korrigierten zweiten Druck in Abhängigkeit vom zweiten Druckmesswert und
von der zweiten Temperatur ausgeben, umfasst und eingerichtet ist
zum Bilden des Differenzdruck als Differenz zwischen dem korrigierten
ersten Druck und dem korrigierten zweiten Druck. Die Temperatursensoren
können
dabei selbstverständlich
eine Einheit mit dem ersten bzw. zweiten Drucksensor bilden. Die
Recheneinheit kann durch einen Mikrocontroller oder dergleichen
gegeben sein. Durch eine entsprechende Programmierung der Recheneinheit,
die selbstverständlich
auch auf verschiedene räumlich getrennte
Untereinheiten aufgeteilt sein kann, kann die Messanordnung programmtechnisch
zur Durchführung
eines Verfahrens der vorgeschlagenen Art eingerichtet sein.
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Es
kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zur
beschriebenen Korrektur der Druckmesswerte bereits eine erste Korrektur
oder Kalibrierung in einer Primärelektronik
jedes Drucksensors geschieht, wobei diese Primärelektronik mit dem jeweiligen
Drucksensor eine Einheit bilden kann. Dadurch wird eine zweistufige
Korrektur von aus den Einzeldrücken
gewonnenen Messwerten realisiert, was dem Verfahren eine noch höhere Genauigkeit
verleiht.
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Beim
ersten Drucksensor wie beim zweiten Drucksensor kann es sich jeweils
um einen Absolut- oder auch Relativdrucksensor jeder denkbaren Ausführung handeln.
Insbesondere kann jeder dieser Drucksensoren eine Membran mit einem
mechano-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einem piezoelektrischen
Wandlerelement, aufweisen. Als Wandler für die Drucksensoren kommen
auch Dehnungsmessstreifen, piezo-ressistive Widerstände – vorzugsweise
in einer Wheatstone-Brücke
geschaltet oder kapazitive Elemente in Frage. Vorzugsweise sind
die Drucksensoren jeweils als hermetisch verschweißte Wandler,
beispielsweise Edelstahlwandler, ausgeführt.
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Nachfolgend
wird beschrieben, wie die Berechnung des korrigierten ersten Drucks
und des korrigierten zweiten Drucks und damit die Berechnung des
Differenzdrucks und gegebenenfalls eines korrigierten Differenzdrucks
bei bevorzugten Ausführungen
der Erfindung in besonders einfacher Weise geschehen kann. Insbesondere
kann der korrigierte erste Druck durch Addition eines in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert und von der ersten Temperatur definierten
ersten Korrekturwertes zum ersten Druckmesswert und der korrigierte
zweite Druck durch Addition eines in Abhängigkeit vom zweiten Druckmesswert
und von der zweiten Temperatur definierten zweiten Korrekturwertes
zum zweiten Druckmesswert gebildet werden. Als Alternative wäre eine
Multiplikation der Druckmesswerte mit jeweils einem ersten Korrekturfaktor
oder einem zwei ten Korrekturfaktor möglich, wobei die Korrekturfaktoren
dann jeweils abhängig
vom jeweiligen Druckmesswert und der jeweiligen Temperatur definiert wären. Die
zur Realisierung einer möglichst
hohen Messgenauigkeit erforderlichen Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren
können
dabei problemlos jeweils durch Kalibriermessungen ermittelt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren
jeweils zusätzlich
in Abhängigkeit
von weiteren gemessenen Zustandsgrößen, beispielsweise Feuchtigkeitswerte,
bestimmt und definiert werden.
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Eine
programmtechnisch einfach realisierbare Ausführung des Verfahrens und einer
entsprechenden Messanordnung ergibt sich, wenn der erste Korrekturwert
und der zweite Korrekturwert auf Grundlage einzelner Korrekturwerte
erhalten werden, die für
diskrete Stützstellen
gespeichert sind. Ein jeweils zu addierender Korrekturwert – entsprechendes
würde alternativ
für einen
anzuwendenden Korrekturfaktor gelten – kann dabei zum Beispiel durch
Interpolation zwischen solchen Korrekturwerten ermittelt werden,
die für
die Stützstellen
gespeichert sind, die den aktuellen Druckmesswerten und/oder Temperaturen
am nächsten
liegen. Die diskreten Korrekturwerte können dabei als eine Look-up-Table
definierend angesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können die
Korrekturwerte bzw. Korrekturfaktoren auf Grundlage von Interpolationsfunktionen
erhalten werden, die durch Korrekturwerte an diskreten Stützstellen
definiert sind. Die Stützstellen
sind dabei also jeweils durch diskrete Werte für den ersten Druckmesswert
und die erste Temperatur bzw. den zweiten Druckmesswert und die
zweite Temperatur und eventuell sogar weitere Größen gegeben. Interpolationsfunktionen,
die eine sehr genaue Korrektur auch bei einer nicht zu großen Anzahl von
Stütz stellen
erlauben, sind bspw. durch polynominale Regression bestimmbar. Temperaturabhängigkeit
und Druckabhängigkeit
der Korrekturwerte können
dabei auch unterschiedlich behandelt werden durch eine Kombination
einer Look-up-Table für eine
der Größen mit
Interpolationsfunktionen zur Beschreibung der Abhängigkeit
von der jeweils anderen Größe. So wäre es möglich, für diskrete
Temperaturwerte, beispielsweise für fünf verschiedene Temperaturen,
jeweils die Druckabhängigkeit
der Korrekturwerte durch Interpolationsfunktionen zu definieren. Bei
den in der vorliegenden Schrift genannten Interpolationsfunktionen
kann es sich insbesondere jeweils um Interpolationspolynome handeln.
Dazu können
wiederum beispielsweise Polynome dritten oder höheren Grades verwendet werden,
die vorzugsweise abschnittsweise definiert sein können, im
vorliegenden Fall auf Basis von vier oder mehr dem aktuellen Druckmesswert
nächstgelegenen
Druck-Stützstellen.
Andersherum kann auch für
jeden der Druckmesswerte eine Look-up-Table zur Bestimmung der Druckabhängigkeit
des jeweiligen Korrekturwerts verwendet und mit Interpolationsfunktionen
zur Definition der Temperaturabhängigkeit
kombiniert werden.
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Eine
noch größere Genauigkeit
lässt sich
erreichen, wenn aus dem als Differenz zwischen dem korrigierten
ersten Druck und dem korrigierten zweiten Druck definierten Differenzdruck
wiederum in Abhängigkeit
vom korrigierten ersten Druck oder vom korrigierten zweiten Druck
oder in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert oder vom zweiten Druckmesswert ein korrigierter
Differenzdruck berechnet wird. Dabei wird der korrigierte Differenzdruck
vorzugsweise zusätzlich
in Abhängigkeit
von mindestens einer der gemessenen Temperaturen berechnet. Insbesondere
kann bei einer entsprechenden Messanordnung die Recheneinheit zusätz lich Mittel
zum Korrigieren des Differenzdrucks aufweisen, die einen korrigierten
Differenzdruck in Abhängigkeit
vom korrigierten ersten Druck oder vom korrigierten zweiten Druck
oder in Abhängigkeit
von einem der Druckmesswerte und eventuell zusätzlich in Abhängigkeit von
mindestens einer der gemessenen Temperaturen ausgeben.
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Die
Berechnung des korrigierten Differenzdrucks aus dem zuvor bestimmten
Differenzdruck kann dabei analog zur Korrektur der beiden Druckmesswerte
geschehen. Eine einfach realisierbare Ausführung des Verfahrens sieht
also vor, dass der korrigierte Differenzdruck gebildet wird durch
Addition eines dritten Korrekturwertes zum Differenzdruck oder zu
einer aus dem Differenzdruck abgeleiteten, beispielsweise durch
Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor skalierten, Zwischengröße, wobei
dieser dritte Korrekturwert in Abhängigkeit vom korrigierten ersten
Druck oder vom korrigierten zweiten Druck oder in Abhängigkeit
von einem der Druckmesswerte definiert ist. Der korrigierte Differenzdruck
kann auch durch Multiplikation des zuvor bestimmten Differenzdrucks
oder einer aus diesem Differenzdruck abgeleiteten, beispielsweise
durch Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor skalierten, Zwischengröße mit einem
Korrekturfaktor gebildet werden, wobei dann dieser Korrekturfaktor
in Abhängigkeit
vom korrigierten ersten Druck oder vom korrigierten zweiten Druck oder
in Abhängigkeit
von einem der Druckmesswerte definiert ist. Wieder ist eine Ermittlung
des dritten Korrekturwerts oder des Korrekturfaktors durch Kalibriermessungen
möglich.
Auch kann der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor wieder
zusätzlich von
weiteren gemessenen Zustandsgrößen abhängen. Insbesondere
kann der dritte Korrekturwert oder der Korrektorfaktor zusätzlich in Abhängigkeit
von der gemessenen ersten Temperatur und/oder der gemessenen zweiten
Temperatur und/oder beispielsweise in Abhängigkeit von einer gemessenen
Feuchtigkeit definiert sein.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor
wieder in einfacher Weise erhalten wird auf Grundlage von für diskrete
Stützstellen
gespeicherten Korrekturwerten und/oder auf Grundlage von Interpolationsfunktionen,
die durch Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren an diskreten Stützstellen
definiert sind. Dabei kann wieder eine Interpolation zwischen Korrekturwerten für solche
Stützstellen
erfolgen, die aktuell gemessenen oder bestimmten Werten am nächsten liegen,
so dass die diskreten Korrekturwerte dann wieder als eine Look-up-Table definierend
angesehen werden können.
Die Stützstellen
sind dabei wieder jeweils durch diskrete Werte derjenigen Größen gegeben,
in Abhängigkeit
derer der korrigierte Differenzdruck bzw. der dritte Korrekturwert
oder der Korrekturfaktor berechnet wird. Die Genauigkeit erhöhende Interpolationsfunktionen
können
dazu bspw. durch polynomiale Regression bestimmt werden. Wieder
sind verschiedene Kombinationen denkbar, wenn der dritte Korrekturwert
oder der Korrekturfaktor von mehr als einer Variablen abhängt. So
kann beispielsweise für diskrete
Temperaturwerte, z. B. für
fünf verschiedene erste
Temperaturen, jeweils eine Druckabhängigkeit des dritten Korrekturwertes
oder des Korrekturfaktors, beispielsweise eine Abhängigkeit
vom korrigierten zweiten Druck, durch eine Interpolationsfunktion oder
durch Interpolationsfunktionen definiert sein. Dazu können z.
B. Polynome dritten oder höheren Grades
verwendet werden, die vorzugsweise abschnittsweise definiert sind
auf Basis von vier oder mehr dem aktuellen Druckmesswert am nächsten liegenden
Druck-Stützstellen.
Genauso gut kann eine Look-up-Table zur Bestimmung der Druckabhängigkeit
dienen, während
die Temperaturabhängigkeit des
dritten Korrekturwertes oder des Korrekturfaktors durch Interpolationsfunktionen
oder durch eine Interpolationsfunktion definiert wird.
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Das
beschriebene Verfahren kann dadurch weiter entwickelt werden, dass
ferner eine automatische Driftkorrektur vorgenommen wird, indem
bei Eintritt von Bedingungen, die einen bestimmten tatsächlichen
Systemzustand indizieren, der erste Druckmesswert oder der korrigierte
erste Druck mit einem ersten Referenzwert verglichen wird und der zweite
Druckmesswert oder der korrigierte zweite Druck mit einem zweiten
Referenzwert verglichen wird, wobei dabei ermittelte Differenzen
zwischen den Referenzwerten und den damit verglichenen aktuell gemessenen
Größen für folgende
Differenzdruckmessungen zum jeweiligen Druckmesswert oder zum korrigierten
ersten Druck oder zum korrigierten zweiten Druck hinzuaddiert werden.
Alterungserscheinungen der Drucksensoren, die typischerweise zu
einer im Wesentlichen druckabhängigen
Drift der Druckmesswerte führen,
können
damit in einfacher Weise kompensiert werden, was eine auch langfristig
hohe Messgenauigkeit zur Folge hat. Bei dem genannten Systemzustand,
bei dessen Eintreten eine Driftkorrektur vorgenommen werden soll, handelt
es sich typischerweise um einen – vorzugsweise über einen
längeren
Zeitraum anhaltenden – Maschinenstillstand
oder Urzustand, der z. B. durch eine verschwindende Druckdifferenz
zwischen den Einzeldrücken
bei einem Umgebungsdruck entsprechenden Werten der Einzeldrücke an den
beiden Drucksensoren charakterisiert sein kann. Zusätzlich kann
der bestimmte Systemzustand durch Werte für die erste Temperatur und
die zweite Temperatur definiert sein, die deutlich unter üblichen
Betriebstemperaturen liegen. Bei den Referenzwerten kann es sich jeweils
um einen Offset handeln, der für
den genannten bestimmten Systemzustand im Neustand der entsprechenden
Messanordnung oder nach einer letzten Driftkorrektur gespeichert
worden ist. Die durch das Vergleichen mit den Referenzwerten ermittelten Differenzen
können
gegebenenfalls auf den jeweiligen alten Offset aufaddiert werden
zur Bildung eines anstelle des alten Offsets zu speichernden neuen Offsets
für jeden
der beiden Drucksensoren. Alternativ kann die jeweilige Differenz
zum entsprechenden Referenzwert berücksichtigt werden durch einen konstanten
Summanden in jener Korrekturstufe, in der aus dem jeweiligen Druckmesswert
der korrigierte erste oder zweite Druck gebildet wird. Im zuerst genannten
Fall kann eine Logik für
die Driftkorrektur in einer dem jeweiligen Drucksensor zugeordneten Primärelektronik
integriert sein, unter Umständen einschließlich einer
Elektronik für
den Vergleich des jeweiligen Druckmesswerts mit dem entsprechenden Referenzwert.
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Der
Eintritt der genannten Bedingung, die auf den bestimmten Systemzustand
hinweist, kann vorteilhafterweise festgestellt werden, indem mindestens
eine der Größen erster
Druckmesswert, korrigierter erster Druck, erste Temperatur und/oder
mindestens eine der Größen zweiter
Druckmesswert, korrigierter zweiter Druck, zweite Temperatur und/oder
eine der Größen Differenzdruck,
korrigierter Differenzdruck jeweils daraufhin geprüft werden,
ob sie in ein jeweils definiertes Intervall fallen, wobei eine Durchführung der
Driftkorrektur dann ausgelöst wird,
wenn die geprüften
Größen in die
jeweils definierten Intervalle fallen. Diese Intervalle können für den typischsten
Fall definiert sein durch Umgebungen eines typischen oder eigens
gemessenen Umgebungsdrucks für
die Einzeldrücke
oder einer typischen oder eigens gemessenen Raum- oder Außentemperatur für die in
einer Umgebung der Drucksensoren gemessenen Temperaturen oder durch
eine kleine Null-Umgebung für
die Druckdifferenz.
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Damit
der Systemzustand, der bei einer Driftkorrektur herrschen soll,
mit hinreichend hoher Sicherheit gegeben ist, wenn eine Driftkorrektur
ausgelöst
wird, sollten vorzugsweise möglichst
viele der genannten oder anderer Größen mit diesem Systemzustand
charakterisierenden Differenzwerten verglichen werden. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung des Verfahrens mit Driftkorrektur beschriebener Art
sieht vor, dass zum Feststellen des Eintritts der genannten Bedingung
ferner eine weitere Temperatur und/oder eine weiterer Druck gemessen
wird und jeweils mit mindestens einer der geprüften Größen verglichen oder auf Überschneidung
mit einem jeweils definierten Referenzintervall geprüft wird.
Dazu kann die verwendete Messanordnung einen entsprechenden weiteren
Sensor aufweisen. Die weitere Temperatur oder der weitere Druck
kann dabei intern (also in einem Sensorgehäuse, das auch den ersten und/oder den
zweiten Drucksensor aufnimmt, vorzugsweise jedoch dennoch möglichst
weit vom ersten oder zweiten Druck- oder Temperatursensor entfernt)
oder auch extern gemessen werden und beispielsweise einer Raumtemperatur
oder einem Umgebungsdruck entsprechen. Dadurch kann eine weitere
Plausibilitätsprüfung daraufhin
erfolgen, ob der für
die Durchführung
der Driftkorrektur gewünschte
bestimmte Systemzustand – also
typischerweise der Maschinenstillstand – tatsächlich vorliegt.
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Auch
kann vorgesehen sein, dass die Driftkorrektur nur dann ausgelöst wird,
wenn die genannten Bedingun gen länger
als eine Mindestzeit erfüllt bleiben,
damit beispielsweise ein hinreichender langer Maschinenstillstand
indiziert wird, der auf gleiche Einzeldrücke zu schließen erlaubt,
bevor eine Driftkorrektur vorgenommen wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 beschrieben.
Diese Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Messanordnung
zur Differenzdruckmessung in einer Ausführung der Erfindung.
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In
der 1, die auch der Veranschaulichung eines entsprechenden
Verfahrens zur Differenzdruckmessung dient, ist zunächst ein
erster Drucksensor 1 zum Ermitteln eines ersten Druckmesswertes
P1 und ein zweiter Drucksensor 2 zum Ermitteln eines zweiten
Druckmesswertes P2 zu erkennen. Diese Drucksensoren 1 und 2 sollen
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
jeweils einen piezoresistiven Widerstand als Wandler aufweisen,
der, wie schematisch angedeutet, jeweils in einer Wheatstone-Brücke verschaltet
ist. Stattdessen könnten selbstverständlich auch
alle anderen bereits erwähnten
Arten von Sensoren zur Druckmessung verwendet werden, wobei nicht
nur Absolutdrucksensoren, sondern auch Relativdrucksensoren in Frage
kommen.
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Ebenfalls
schematisch dargestellt sind eine erste Primärelektronik 3 und
eine zweite Primärelektronik 4,
die jeweils mit dem ersten Drucksensor 2 oder dem zweiten
Drucksensor 2 eine Einheit bilden und in denen bereits
eine Kalibrierung eines vom entsprechenden Drucksensor 1 oder 2 erhaltenen
Messwerts sowie eine Umwandlung in ein digitales Signal zur Darstellung
des jeweiligen Druckmesswertes P1 oder P2 erfolgen kann. Eine alternative
Ausführung der
Erfindung sieht vor, dass die erste Primärelektronik 3 und
die zweite Primärelektronik 4 analoge
Signale zur weiteren Verarbeitung abgeben. In eine den Drucksensor 1 oder 2 und
die entsprechende Primärelektronik 3 oder 4 umfassende
Sensoreinheit integriert ist jeweils auch ein erster Temperatursensor zum
Messen einer ersten Temperatur T1 in einer Umgebung des ersten Drucksensors 1 bzw.
ein zweiter Temperatursensor zum Messen einer zweiten Temperatur
T2 in einer Umgebung des zweiten Drucksensors 2.
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Den
Drucksensoren 1 und 2 mit der entsprechenden Primärelektronik 3 oder 4 nachgeschaltet
ist eine Recheneinheit 5, bei der es sich hier um einen Mikrocontroller
handelt. Diese Recheneinheit 5 umfasst Mittel 6 zum
Korrigieren des ersten Druckmesswertes P1, die einen korrigierten
ersten Druck P1korr in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert P1 und von der ersten Temperatur T1 ausgeben,
sowie Mittel 7 zum Korrigieren des zweiten Druckmesswertes
P2, die einen korrigierten zweiten Druck P1korr in
Abhängigkeit
vom zweiten Druckmesswert P2 und von der zweiten Temperatur T2 ausgeben.
Ferner ist die Recheneinheit 5 programmtechnisch eingerichtet
zum Berechnen eines Differenzdrucks Pdiff als
Differenz zwischen dem korrigierten ersten Druck P1korr und dem
korrigierten zweiten Druck P2korr. Der so
ermittelte Differenzdruck Pdiff wird zunächst durch
Multiplikation mit einem Skalierungsfaktor x skaliert. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist die Recheneinheit 5 zusätzlich Mittel 8 zum
Korrigieren des Differenzdrucks Pdiff auf,
die einen korrigierten Differenzdruck Pdiffkorr in
Abhängigkeit
vom korrigierten zweiten Druck P2korr, anstelle
dessen auch der zweite Druckmesswert P2 verwendet werden könnte, und von
der ersten Temperatur T1, anstelle derer auch die zweite Temperatur
T2 verwendet werden könnte, aus
dem mit dem Skalierungsfaktor x multiplizierten Differenzdruck Pdiff
berechnen und an einen Digital-Analog-Wandler 9 ausgeben. Bei anderen
Ausführungen
der Erfindung fehlen diese Mittel 8 zum Korrigieren des
Differenzdrucks Pdiff und wieder andere Ausführungen sehen vor, dass eine
Multiplikation mit dem Skalierungsfaktor x erst nach der Korrektur
des Differenzdrucks Pdiff zum korrigierten Differenzdruck Pdiffkorr erfolgt.
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Neben
einem Ausgang 10 für
ein analoges Ausgangssignal am Digital-Analog-Wandler 9 weist die
abgebildete Messanordnung auch einen weiteren Ausgang 11 für ein digitales
oder pulsweitenmoduliertes korrigiertes Differenzdrucksignal sowie
zusätzliche
Ausgänge 12 auf,
von denen hier nur einer für
ein dem korrigierten ersten Druck entsprechendes Einzeldrucksignal
abgebildet ist. Dargestellt ist auch eine Versorgungsleitung für eine Versorgungsspannung
U0.
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Bei
dem entsprechenden Verfahren zur Differenzdruckmessung wird durch
eine entsprechende programmtechnische Einrichtung der Recheneinheit 5 der
korrigierte erste Druck P1korr gebildet
durch Addition eines in Abhängigkeit
vom ersten Druckmesswert P1 und von der ersten Temperatur T1 definierten ersten
Korrekturwertes Pkorr1 zum ersten Druckmesswert. Dementsprechend
wird der korrigierte zweite Druck P2korr gebildet
durch Addition eines in Abhängigkeit
vom zweiten Druckmesswert P2 und von der zweiten Temperatur T2 definierten
zweiten Korrekturwertes Pkorr2 zum zweiten Druckmesswert P2. Die
beiden Korrekturwerte Pkorr1 und Pkorr2 werden dabei jeweils erhalten
auf Grundlage von für diskrete
Stützstellen
gespeicherten Korrekturwerten und auf Grundlage von Interpolations polynomen,
die durch Korrekturwerte an diskreten Stützstellen definiert sind. Eine
beispielhafte Programmierung der Recheneinheit 5 sieht
vor, dass für
fünf verschiedene Temperaturwerte,
die ein für
typische Betriebszustände
charakteristisches Intervall abdecken, Druckabhängigkeiten der Korrekturwerte
Pkorr1 bzw. Pkorr2 durch Interpolationspolynome dritten Grades definiert
sind. Innerhalb der Mittel 6 und 7 zum Korrigieren
des ersten und zweiten Druckmesswertes P1 und P2 sind dementsprechend
in der 1 schematisch dargestellte Look-up-Tables gespeichert,
die einen Satz entsprechender Interpolationspolynome für jeden
der fünf
diskreten Temperaturwerte enthalten und aus denen die Korrekturwerte
Pkorr1 bzw. Pkorr2 abgelesen werden können, wobei zur Ermittlung
von Korrekturwerten Pkorr1 oder Pkorr2 für Zwischenwerte der Temperaturen
T1 bzw. T2 linear interpoliert werden kann.
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In
ganz ähnlicher
Weise wird der korrigierte Differenzdruck Pdiffkorr gebildet
durch Addition eines dritten Korrekturwertes zu dem mit dem Skalierungsfaktor
x multiplizierten Differenzdruck Pdiff oder durch Multiplikation
des skalierten Differenzdrucks Pdiff mit einem Korrekturfaktor,
wobei dieser dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor in Abhängigkeit
vom korrigierten zweiten Druck P2korr und
von der gemessenen Temperatur T1 definiert ist. Zusätzlich könnte der
dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor auch in Abhängigkeit
der zweiten Temperatur T2 definiert und dadurch von insgesamt drei
Variablen abhängig
sein. Der dritte Korrekturwert oder der Korrekturfaktor wird erhalten
wieder auf Grundlage von für
diskrete Stützstellen
gespeicherten Korrekturwerten und auf Grundlage von Interpolationspolynomen, die
durch Korrekturwerte oder Korrekturfaktoren an diskreten Stützstellen
definiert sind. Dementsprechend weisen die Mittel 8 zum
Korrigieren des Differenzdrucks Pdiff eine in der 1 schematisch
dargestellte Look-up-Table auf, in der für fünf verschiedene Werte der ersten
Temperatur T1 Interpolationspolynome gespeichert sind, die die Abhängigkeit
des dritten Korrekturwerts oder des Korrekturfaktors vom korrigierten
zweiten Druck definieren.
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Die
abgebildete Messanordnung ist ferner programmtechnisch zur automatischen
Durchführung
von Driftkorrekturen für
die Drucksensoren 1 und 2 eingerichtet. Dazu werden
die Größen P1,
P2, T1, T2 und Pdiff automatisch daraufhin geprüft, ob sie in Intervalle fallen,
die einen längeren
Maschinenstillstand indizieren, weil die Temperaturen T1 und T2 deutlich
unter typischen Betriebstemperaturen und/oder im Bereich einer typischen
oder mit einem weiteren Temperatursensor eigens gemessenen Raumtemperatur
liegen und die beiden Druckmesswerte P1 und P2 bei zumindest nahezu
verschwindendem Differenzdruck Pdiff Werte im Bereich eines üblichen
oder mit einem weiteren Drucksensor eigens gemessenen Umgebungsdrucks
einnehmen. Wenn die genannten Größen in die
jeweils entsprechend definierten Intervalle fallen und diese Bedingung über ein
längere
Zeit erfüllt
ist, wird die Durchführung
der Driftkorrektur ausgelöst,
indem der ersten Druckmesswert P1 mit einem ersten Referenzwert
verglichen wird und der zweite Druckmesswert P2 mit einem zweiten
Referenzwert verglichen wird, wobei dabei ermittelte Differenzen
zwischen aktuell gemessenen Druckmesswerten P1 und P2 und den jeweiligen
Referenzwerten jeweils als Offsetkorrektur in der Primärelektronik 3 oder 4 zu
einem dort bislang gespeicherten Offset-Wert addiert werden, wodurch neue
Offset-Werte definiert
werden, die dann dort gespeichert werden. Auch der genannte Vergleich
mit den Referenzwerten kann in den Primärelektroniken 3 und 4 geschehen.
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Nach
alledem wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Differenzdrucksensor
auf Basis mathematischer Differenzbildung vorgeschlagen. Die Ausgangssignale
zweier separat abgeglichener Drucksensoren 1 und 2 werden
dabei mit Hilfe eines in einem Mikrocontroller abgelegten Programms
voneinander subtrahiert, um das resultierende Differenzsignal zwischen
den beiden gemessenen Einzeldrücken
zu ermitteln. Im Mikrocontroller werden durch eine entsprechende
Software zusätzliche Korrekturen
der Signale sowie eine Verstärkung
ausgeführt,
um ein für
die Anwendung benötigtes
Ausgangssignal mit hinreichender Genauigkeit zu realisieren.
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Die
Erfindung löst
die der Erfindung zugrunde liegenden Probleme durch den Einsatz
zweier separater Sensoren, aus deren Ausgangssignalen auf mathematischem
Wege (zum Beispiel über
die in einem Mikrocontroller implementierte Software) ein Differenzsignal
gebildet wird. Damit ist – bei
Verwendung entsprechender Einzelsensoren, wie z. B. hermetisch verschweißter Edelstahlwandler – der Einsatz
auch für
Anwendungsfälle
mit aggressiven Medien kein Problem. Weiterhin ist eine flexible
Bauformgestaltung möglich.
Denkbar sind Ausführungen,
bei denen beide Einzelsensoren und die Auswerteelektronik in einem
Gehäuse
angeordnet sind, aber auch eine separate Anordnung der einzelnen Komponenten.
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Das
Problem der Überdruckfestigkeit
(Linepressurefestigkeit) wird durch den Einsatz von Einzelsensoren,
deren Nenndruckbereich mit dem geforderten Line- Pressure-Bereich identisch ist, gelöst. Die
für das
Differenzdrucksignal geforderte Auflösung wird durch eine entsprechende
Verstärkung
vor oder nach der Differenzbildung erreicht.
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Wesentlich
für die
Anwendbarkeit der Erfindung und das Erreichen einer für die Anwendungen sinnvollen
Genauigkeit ist die dem Funktionsprinzip zugrundeliegende Strategie
der Signalverarbeitung und -aufbereitung im Sensor. Dessen Elemente
sind für
ein Beispiel anhand der 1 erläutert.
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Zusätzlich ist
es für
einige Anwendungsfälle mit
sehr hohen Genauigkeitsanforderungen nötig und möglich, eine Driftkorrektur
für Offset
und gegebenenfalls Spanne in den Sensor zu integrieren. Ein solcher
Ansatz besteht in der Anwendung des in der Druckschrift
DE 10 2004 056 133
A1 dargelegten, auf einer internen Bereichsumschaltung
basierenden Prinzips. Ein zweiter Ansatz wertet zusätzliche
Informationen aus und nutzt diese zur Identifikation eines bekannten
Systemzustandes, auf dessen Basis ein Korrekturfaktor oder ein Korrekturwert
ermittelt werden kann.
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1 verdeutlicht
das Funktionsprinzip der Erfindung.
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Zwei
Sensorzellen (Drucksensor 1 und Drucksensor 2,
in diesem Beispiel resistive Wandlerelemente mit als Wheatstone-Brücke geschalteten Widerständen) wandeln
den Druckwert je einer der beiden zu messenden Einzeldrücke in die Änderung der
elektrischen Brückenspannung
der Widerstände. Diese
Signaländerung
wird in einem ersten Korrekturschritt für jeden der beiden Drücke einzeln
in einem nachgeschalteten Funktionsblock (Primärelektronik 3 und 4)
auf den Nenndruckbe reich der Einzeldruckkanäle (Linepressure) kalibriert,
und gegenüber Temperatur-
und anderen Fehlereinflüssen
kompensiert. Dies kann durch Einsatz spezieller ASICs (Schaltkreise
für Sensorsignalkonditionierung)
erfolgen, durch Einsatz von speziellen Verstärkerelementen und durch eine
entsprechende Software-Routine im Mikrocontroller. In der Regel
erfolgt bei diesem Schritt bereits eine A/D-Wandlung des Signals,
so dass die weitere Kommunikation mit sowie Datenbehandlung im Mikrocontroller
auf rein digitaler Basis stattfindet. Eine Mittelung des Signals
(z. B. gleitende Mittelwertbildung) kann zur Glättung und Vermeidung von Spitzen
eingesetzt werden.
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Im
nächsten
Schritt wird für
jeden der Druckmesswerte P1 und P2 einzeln ein Korrekturwert Pkorr1
bzw. Pkorr2 errechnet, der von aktuell angelegtem Druck und der
am Sensor gemessenen Temperatur abhängt. Diese Korrekturwerte werden
ermittelt aus den Ausgangssignalwerten der Primärelektronik sowie einer Referenztabelle
(Look-up-Table), welche durch eine Charakterisierung der Ausgangssignale
der Primärelektronik
für jeden
der Sensoren über
eine Anzahl Drücke
und Temperaturen (Stützstellen)
ermittelt wird. Diese Charakterisierung erfolgt gegen ein kalibriertes
Normal und mit einer für
die Differenzbildung und anschließende Signalverstärkung hinreichenden
Genauigkeit und Auflösung.
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Alternativ
kann die Korrektur der Einzeldruckwerte durch eine Polynomberechnung
erfolgen, wobei das Korrekturpolynom aus einer Regression über die
Stützstellen
Druck oder/und Temperatur ermittelt wird. Auch eine Kombination
aus Look-up-Table (z. B. für
Temperatur) und Korrekturpolynom (z. B. Druck) ist möglich. Zwischenwerte
werden durch lineare Approxi mation ermittelt.
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Im
nächsten
Schritt wird aus den korrigierten Drücken P1korr und
P2korr die Differenz gebildet und diese
um einen Faktor x verstärkt.
Der Faktor x ergibt sich aus der Auflösung und Skalierung der Einzeldrucksignale
P1korr und P2korr im
Verhältnis
zur geforderten Auflösung
und Skalierung des Differenzdruckausgangssignals.
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Nach
der Ermittlung und Skalierung (Verstärkung) des Differenzsignals
Pdiff wird dieses entweder direkt digital, oder nach einer Protokollumwandlung
(z. B. A/D-Wandlung oder als PWM) zur Nutzung ausgegeben.
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Für den Fall,
dass die so erzielte Genauigkeit des Differenzdrucksignals für die Anwendung
nicht ausreicht, kann vor Ausgabe des Signals ein weiterer Korrekturschhritt
integriert werden, Dieser wird analog zur Korrektur der Einzelsignale
ausgeführt
(Ermittlung der Korrekturgröße Pdiffkorr zum aktuellen Ausgangswert in Abhängigkeit
von aktueller Temperatur, Differenzdruckwert und ggf. Linepressure).
Die Korrekturwerte werden wiederum ermittelt aus einer Anzahl von
Ausgangssignalwerten über
Druck und Temperatur (Charakterisierung des Differenzdruckausgangssignals).
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Optional
können
die Einzeldrucksignale oder/und der Temperaturwert als zusätzliche
Ausgangswerte aus dem Aufbau herausgeführt, und somit zusätzliche
Funktionen in das Sensorsystem integriert werden.
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Für die Korrektur
einer zum Beispiel durch langsame Veränderung der Eigenschaften der
einzelnen Druckmesszellen über
Lebensdauer (Drift durch Alterung) hervorgerufene Drift des Ausgangssignales
wird u. a. folgendes Vorgehen vorgeschlagen:
Als eindeutig
bekannter Systemzustand wird ein Betriebszustand angenommen, bei
dem an den beiden Einzelsensoren Sensor 1 und Sensor 2 derselbe Druck
anliegt, in der Regel Umgebungsdruck. Kann dieser Betriebszustand
eindeutig identifiziert werden, wird das aktuell anliegende Differenzdruck-Ausgangssignal
(Offset) mit einem im Speicher abgelegten, dem Ausgangssignal (Offset)
im Neuzustand entsprechenden Wert verglichen. Aus der Differenz wird
ein Korrekturwert gebildet, der nach Neustart im Betrieb zum aktuellen
Ausgangssignal des Sensors addiert wird. Dadurch erfolgt eine Korrektur
desselben. Der Vergleich und die Korrektur können im sensorinternen Mikrocontroller
implementiert werden, ohne das Gesamtkonzept ändern zu müssen.
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Die
Identifikation des definierten Betriebszustandes erfolgt durch Auswertung
zusätzlicher
Informationen. Steht eine Kommunikation mit dem übergeordneten System (z. B.
durch bus-basierte Kommunikation) nicht zur Verfügung, kann zum Beispiel durch
Vergleich mehrerer sensorinterner, aber räumlich getrennt angeordneter
Temperatursignale über einen
bestimmten Zeitraum ein Temperaturunterschied zwischen Applikation,
Druckmedium und Umgebung gemessen werden. Geht dieser Unterschied über einen
bestimmten systemabhängigen
Zeitraum gegen 0 und weicht nicht deutlich von für Umgebungstemperaturen üblichen
Werten ab, kann in vielen Fällen
von einem längeren
Stillstand der Applikation und damit dem Anliegen von Umgebungsdruck an
beiden Einzelsensoren ausgegangen und der bereits beschriebene Korrekturalgorithmus
gestartet werden.