DE102014119398A1

DE102014119398A1 - Differenzdruckwandler und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102014119398A1
Application number: DE102014119398.9A
Authority: DE
Inventors: Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2016-06-23

Abstract

Differenzdruckwandler (1) zum Bestimmen einer Druckmessgröße umfassend einen Differenzdrucksensor (2) mit einer Messmembran (3) und Widerstandselementen (4) mit druckabhängigen Widerständen, wobei der Differenzdrucksensor (2) zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenkörper (5, 6) angeordnet ist, sodass sich eine erste Druckmesskammer und eine zweite Druckmesskammer (8) ausbildet, wobei eine erste Druckübertragungsleitung (9) der ersten Druckmesskammer (7) einen ersten Druck (11) zuführt und eine zweite Druckübertragungsleitung (10) der zweiten Druckmesskammer (8) einen zweiten Druck (12) zuführt, wobei zumindest ein erstes Membranbett (13) auf einer der Messmembran (3) zugewandten Seite des ersten Gegenkörpers (5) ausgebildet ist und eine erste Elektrode (14) das erste Membranbett (13) zumindest teilweise bedeckt, sodass sich zwischen der ersten Elektrode (14) und der Messmembran (3) eine erste Kapazität (15) ergibt, welche zumindest von einer differenzdruckabhängigen Auslenkung der Messmembran (3) abhängt und wobei über eine Brückenspannung (UB) einer Brückenschaltung (16) die Druckmessgröße ermittelbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdruckwandler und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen.
Differenzdruckwandler dienen zur Erfassung von Differenzdrücken und werden beispielsweise in in der industriellen Messtechnik verwendeten Differenzdruckmessaufnehmern eingesetzt. Dort werden sie beispielsweise zur Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Bei der Füllstandsmessung wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem Behälter wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstands-abhängigen hydrostatischen Druck im Behälter und damit zum Füllstand. Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand in eine Leitung eingesetzt und mittels eines Differenzdruckmessaufnehmers eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten Drucks und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten Drucks ermittelt. Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die Leitung.
In der Druckmesstechnik werden gerne Halbleiter-Differenzdrucksensor-Chips, z.B. Silizium-Chips mit dotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Derartige Differenzdrucksensor-Chips umfassen eine Messmembran, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Differenzdruck entspricht. Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer Flüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet.
Differenzdruckmessaufnehmer weisen hierzu regelmäßig einen massiven typischerweise mehrteiligen metallischen Messaufnehmerblock auf, auf dem außenseitlich eine erste und eine dieser parallel dazu gegenüberliegend angeordnete zweite Trennmembranen angeordnet sind. Dabei schließt die erste Trennmembran eine erste Druckempfangskammer ab, die über eine Druckübertragungsleitung mit einer ersten Druckmesskammer verbunden ist. Entsprechend schließt die zweite Trennmembran eine zweite Druckempfangskammer ab, die über eine Druckübertragungsleitung mit einer zweiten Druckmesskammer verbunden ist. Die erste und die zweite Druckmesskammer sind durch die Messmembran des Differenzdrucksensors voneinander getrennt.
Die beiden Druckempfangskammern, die beiden Druckmesskammern sowie die Druckübertragungsleitungen sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, die dazu dient, den von außen auf die jeweilige Trennmembran einwirkenden Druck auf die jeweils zugeordnete Seite der Messmembran zu übertragen.
Im alltäglichen Messbetrieb kommt es immer wieder zu Störungen bis hin zu Ausfällen von solchen Differenzdruckwandlern. Daneben weise derartige Differenzdruckwandler das Problem auf, dass sie einem Drift unterliegen, der dazu führt, dass möglicherweise eine verfälschte Druckmessgröße ermittelt wird.
Um z. B. derartige Störungen des Differenzdruckwandlers oder einen Drift zu erkennen ist es notwendig, dass der Sensor während des Betriebs kontrolliert wird. Dadurch wird die Sicherheit und/oder Genauigkeit der erfassten Druckmessgröße erhöht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Differenzdruckwandler vorzuschlagen, der eine erhöhte Sicherheit und/oder Genauigkeit der erfassten Druckmessgröße ermöglicht. Die Aufgabe wird durch einen Differenzdruckwandler und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Differenzdruckwandlers gelöst.
Hinsichtlich des Differenzdruckwandlers wird die Aufgabe durch einen Differenzdruckwandler zum Bestimmen einer Druckmessgröße gelöst, umfassend einen Differenzdrucksensor mit einer Messmembran und Widerstandselementen mit druckabhängigen Widerständen, wobei der Differenzdrucksensor zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenkörper angeordnet ist und in seinem Randbereich stoffschlüssig sowohl mit dem ersten Gegenkörper als auch dem zweiten Gegenkörper verbunden ist, sodass sich eine erste Druckmesskammer zwischen der Messmembran und dem ersten Gegenkörper und eine zweite Druckmesskammer zwischen der Messmembran und dem zweiten Gegenkörper ausbildet, wobei eine erste Druckübertragungsleitung durch den ersten Gegenkörper hindurchführt und der ersten Druckmesskammer einen ersten Druck zuführt und eine zweite Druckübertragungsleitung durch den zweiten Gegenkörper hindurchführt und der zweiten Druckmesskammer einen zweiten Druck zuführt, wobei zumindest ein erstes Membranbett auf einer der Messmembran zugewandten Seite des ersten Gegenkörpers ausgebildet ist und eine erste Elektrode das erste Membranbett zumindest teilweise bedeckt, sodass sich zwischen der ersten Elektrode und der Messmembran eine erste Kapazität ergibt, welche zumindest von einer differenzdruckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängt und wobei über eine Brückenspannung einer Brückenschaltung, die aus den Widerstandselementen gebildet ist, die Druckmessgröße, die eine Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck darstellt, ermittelbar ist.
Erfindungsgemäß werden also durch das Einbringen zumindest einer Kapazität, anhand derer eine differenzdruckabhängige Auslenkung der Messmembran feststellbar ist, in einen piezoresistiven Differenzdruckwandler zusätzliche Informationen erhalten, die zur Überprüfung und/oder Überwachung der erfassten Druckmessgröße herangezogen werden können. Auf diese Weise lässt sich eine durch einen erfindungsgemäßen Differenzdruckwandler erfasste Druckmessgröße mit einer erhöhten Sicherheit bestimmen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der erste Gegenkörper ein im Wesentlichen nicht leitendes Material, insbesondere Glas, umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der zweite Gegenkörper des Differenzdruckwandlers ein zweites Membranbett aufweist und eine zweite Elektrode das zweite Membranbett zumindest teilweise bedeckt, sodass sich zwischen der zweiten Elektrode und der Messmembran eine zweite Kapazität ergibt, welche zumindest von der differenzdruckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängt. Insbesondere sieht die Ausgestaltung vor, dass der zweite Gegenkörper ein im Wesentlichen nicht leitendes Material, insbesondere Glas, umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Differenzdruckwandler zum Bestimmen einer Durchflussmessgröße eines in einem Prozesskanal strömenden Mediums verwendet wird, wobei in dem Prozesskanal ein Leitungsdruck vorherrscht. Der Leitungsdruck wird auch als statischer Druck oder Ruhedruck bezeichnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Verarbeitungseinheit vorgesehen ist, die eingerichtet ist zum Erfassen der Brückenspannung und/oder deren Verlauf, zum Ermitteln der aktuellen Druckmessgröße in Abhängigkeit der Brückenspannung, zum Ermitteln der ersten Kapazität und/oder deren Verlauf und zum Ermitteln zumindest einer Zusatzinformation anhand der erfassten Brückenspannung und/oder deren Verlauf und der erfassten ersten Kapazität.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines zuvor beschriebenen Differenzdruckwandlers gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Erfassen der Brückenspannung und/oder deren Verlauf;
– Ermitteln der aktuellen Druckmessgröße in Abhängigkeit der Brückenspannung;
– Ermitteln der ersten Kapazität und/oder deren Verlauf;
– Ermitteln der zumindest einen Zusatzinformation anhand der erfassten Brückenspannung und/oder deren Verlauf und der erfassten ersten Kapazität.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass ein Vergleich der Brückenspannung und/oder deren Verlauf mit einer der ersten Kapazität entsprechenden ersten Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf durchgeführt wird und in dem Fall, dass die Brückenspannung und/oder deren Verlauf und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, die anhand der Brückenspannung ermittelte aktuelle Druckmessgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit vertrauenswürdig ist.
Insbesondere sieht die Ausführungsform vor, dass in dem Fall, dass die Brückenspannung und/oder deren Verlauf und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, eine Veränderung, insbesondere des Differenzdruckwandlers und/oder des Leitungsdruckes, festgestellt wird. Ferner sieht die Ausführungsform vor, dass eine zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf in Abhängigkeit von der zweiten Kapazität erfasst wird, wobei ein Vergleich der Brückenspannung und/oder deren Verlauf mit der ersten und/oder zweiten Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf bzw. Verläufe durchgeführt wird, wobei in dem Fall, dass die Brückenspannung und/oder deren Verlauf und die erste und/oder zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf bzw. Verläufe in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, die anhand der Brückenspannung ermittelte aktuelle Druckmessgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit vertrauenswürdig ist.
Insbesondere sieht die Ausführungsform auch vor, dass in dem Fall, dass die Brückenspannung und/oder deren Verlauf und die erste und zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verläufe nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, eine Veränderung, insbesondere des Differenzdruckwandlers und/oder des Leitungsdrucks, festgestellt wird.
Insbesondere sieht die Ausführungsform auch vor, dass in dem Fall, dass eine Veränderung vorliegt, überprüft wird, was die Veränderung hervorgerufen hat.
Insbesondere sieht die Ausführungsform auch vor, dass in dem Fall, dass die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf und die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf sich im Wesentlichen gleich geändert haben, mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Änderung des Leitungsdrucks in dem Prozesskanal die Veränderung hervorgerufen hat.
Insbesondere sieht die Ausführungsform auch vor, dass anhand der Brückenspannung und der ersten und/oder zweiten Kapazitätsspannung der Leitungsdruck ermittelt wird.
Insbesondere sieht die Ausführungsform auch vor, dass der Leitungsdruck anhand einer Ermittlungsfunktion ermittelt wird, für die gilt:
wobei C₁ und C₂ den Wert der ersten und zweiten Kapazität bezeichnen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass an die erste Elektrode und die Messmembran oder an die zweite Elektrode und die Messmembran eine Spannung angelegt wird und als Zusatzinformation ermittelt wird, ob aufgrund des Anlegens der Spannung eine Auslenkung der Messmembran stattfindet, und in dem Fall, dass eine Auslenkung der Messmembran (3) mittels der Brückenspannung erkannt wird von einer funktionstüchtigen Messmembran (3) ausgegangen wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers,
2: einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers,
3: eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers,
4: eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers,
5: eine beispielhafte Darstellung der Verläufe der Brückenspannung und der ersten Kapazitätsspannung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers, und
6: eine beispielhafte Darstellung der Verläufe der Brückenspannung und der ersten und zweiten Kapazitätsspannung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers 1. Dieser umfasst einen ersten Gegenkörper 5 und einen zweiten Gegenkörper 6. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenkörper 5, 6 ist ein Differenzdrucksensor 2 angeordnet. Der Differenzdrucksensor 2 ist ein Halbleiter Sensor und vorzugsweise auf Silizium-Basis hergestellt. Der Differenzdrucksensor 2 weist eine Messmembran 3 mit vier in die Messmembran integrierten Widerstandselementen 4 auf. Diese weisen aufgrund deren Anordnung auf der Messmembran 3 einen druckabhängigen Widerstand auf, d.h. ihr Widerstandswert ändert sich in Abhängigkeit des Differenzdruckes der an der Messmembran 3 anliegt und für eine Auslenkung dieser sorgt.
Die Widerstandselemente 4 werden typischerweise durch Dotieren in die Messmembran 3 eingebracht. Es sind somit piezoresisitive Elemente, die, wie bereits erwähnt, ihren Widerstandswert in Abhängigkeit der Auslenkung der Messmembran 3 verändern. Diese werden zu einer Brückenschaltung 16, wie in 4 dargestellt, zusammengeschaltet, sodass sich eine Brückenspannung U_B mit einer in 1 nicht gezeigten Auswerteschaltung ermitteln lässt.
Ferner weist der Differenzdrucksensor 2 einen im Wesentlichen hohlzylindrischen als Stützkörper für die Messmembran 3 dienenden Rand auf. Die Messmembran 3 schließt mit einer dem ersten Gegenkörper 5 zugewandten Seite frontbündig ab. Unterhalb der Messmembran 3 auf deren dem zweiten Gegenkörper 6 zugewandten Seite befindet sich eine im Querschnitt konisch in Richtung der Messmembran 3 zulaufende Ausnehmung über die die Messmembran 3 frei zugänglich ist. Typischerweise wird eine derartige Ausnehmung über eine chemische Ätzung erzeugt, insbesondere eine anisotropen Ätzvorgang.
Der erste Gegenkörper 5 ist vorzugsweise ein die Messmembran 3 überdeckender Deckel, der ein im Wesentlichen nicht leitfähiges Material umfasst, bspw. ein Glas. Der erste Gegenkörper 5 ist vorzugsweise durch einen anodischen Bondschritt stoffschlüssig mit dem Differenzdrucksensor 2 verbunden, sodass sich eine erste Druckmesskammer 7 ausbildet. Die erste Druckmesskammer 7 ist über eine erste Druckübertragungsleitung mit einem ersten Druck 11 beaufschlagbar. Der erste Gegenkörper 5 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Außendurchmesser auf, der geringer ist als der Außendurchmesser des Differenzdrucksensors 2. Auf dem so ausgebildeten Rand des Differenzdrucksensors 2, der nicht von dem ersten Gegenkörper 5 überdeckt ist, lassen sich somit Anschlusspads zur elektrischen Kontaktierung realisieren, umso bspw. die integrierten piezoresisitven Widerstandselemente 4 und auch die Messmembran 3 in ihrer Funktion als Elektrode elektrisch zu kontaktieren.
Weiterhin weist der erste Gegenkörper 5 eine erste Elektrode 14 auf, die auf einem ersten Membranbett 13, das sich auf der der Messmembran 3 zugewandten Seite des ersten Gegenkörpers 5 befindet, ausgebildet ist. Die erste Elektrode 14 und die Messmembran 3 bilden somit eine erste Kapazität 15 die eine Erfassung der differenzdruckabhängige Auslenkung der Messmembran 3 ermöglichen.
Der zweite Grundkörper 6 ist vorzugsweise ein Substrat, das ebenso wie der Differenzdrucksensor 2 Silizium aufweist. Mit diesem zweiten Grundkörper 6 ist der Differenzdrucksensor stoffschlüssig verbunden. Vorzugsweise wird diese Verbindung durch Waferbonden durchgeführt. Durch das stoffschlüssige Verbinden des zweiten Grundkörpers 6 mit dem Differenzdrucksensor 2 entsteht eine zweite Druckmesskammer 8, die mit einem zweiten Druck 12 über eine durch den zweiten Gegenkörper 6 fluchtende zweite Druckübertragungsleitung 10 beaufschlagbar ist.
Durch die beiden Druckmesskammern 7, 8 die mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck 11, 12 beaufschlagt sind, findet eine entsprechend des an der Messmembran 3 anliegenden Differenzdruckes eine Auslenkung der Messmembran 3 statt. Diese Auslenkung der Messmembran 3 wird durch in Form einer Widerstandsänderung der piezoresisitven Widerstandselemente 4 mittels einer Brückenschaltung 16 in eine Brückenspannung umgesetzt, umso eine Druckmessgröße, die eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck 11, 12 darstellt, zu ermitteln.
2 zeigt einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers 1. Der Differenzdruckwandler 1 des zweiten Ausführungsbeispiels ist im Wesentlichen gleich dem Differenzdruckwandler 1 des ersten Ausführungsbeispiels ausgeführt.
Unterschiede bestehen jedoch darin, dass bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der zweite Gegenkörper 6 des Differenzdruckwandlers 1 ebenfalls eine zweite Elektrode 18 aufweist. Diese zweite Elektrode 18 bedeckt ein zweites Membranbett 17 des zweiten Gegenkörpers 6. Auf diese Weise bildet sich neben der ersten Kapazität 15 auch eine zweite Kapazität 19 zwischen der Messmembran 3 und der zweiten Elektrode 18 aus. Der zweite Gegenkörper 6 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen nicht leitendes Material, bspw. ein Glas, auf.
Durch die erste Kapazität und/oder die zweite Kapazität lassen sich eine erste Kapazitätsspannung und/oder eine zweite Kapazitätsspannung ermitteln, wobei die erste Kapazitätsspannung die erste Kapazität und die zweite Kapazitätsspannung die zweite Kapazität repräsentiert.
Durch die erste Kapazitätsspannung und/oder zweite Kapazitätsspannung lässt sich ggfl. auch in Kombination mit der Brückenspannung über eine Verarbeitungseinheit 20 zumindest eine Zusatzinformation ermitteln. Hierfür ist die Verarbeitungseinheit 20 derartig eingerichtet, dass sie das nachstehend beschriebene Verfahren ausführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei die folgenden Schritte vor:

– Erfassung der Brückenspannung U_B bzw. den zeitlichen Verlauf der Brückenspannung. Hierzu dient, wie bereits angedeutet, die Verarbeitungseinheit 20, bspw. ein Mikroprozessor, ein ASIC oder eine andere Form einer integrierten Schaltung, die auf entsprechende Art und Weise mit der Brückenschaltung 16 verbunden ist.
– Ermitteln der aktuellen Druckmessgröße in Abhängigkeit der zuvor erfassten Brückenspannung U_B. Bspw. kann in einem zur Verarbeitungseinheit 20 zugehörigen nicht-flüchtigen Speicher eine Funktion in Form einer Tabelle zur Ermittlung der Druckmessgröße in Abhängigkeit der Brückenspannung U_B hinterlegt sein. Typischerweise werden die Wertepaare für eine solche Funktion herstellerseitig in einem Abgleichsschritt durch zyklisches anfahren geeigneter Punkte ermittelt.
– Ermitteln zumindest der ersten Kapazität bzw. des zeitlichen Verlaufs der ersten Kapazität in Form der ersten Kapazitätsspannung. In dem Fall, dass der Differenzdruckwandler 1 eine zweite Kapazität aufweist, wird ebenfalls die zweite Kapazität bzw. deren zeitlicher Verlauf in Form der zweiten Kapazitätsspannung ermittelt.
– Ermitteln zumindest einer Zusatzinformation anhand der erfassten Brückenspannung U_B bzw. deren zeitlicher Verlauf und zumindest einer der beiden ermittelten Kapazitätsspannungen. In dem Fall, dass der Differenzdruckwandler lediglich die erste Kapazität aufweist, wird ein Vergleich der Brückenspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf mit der ersten Kapazitätsspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf verglichen. Es findet so zu sagen, eine Verifikation der aktuell ermittelten Druckmessgröße statt. Hierzu wird, analog wie bei der Brückenspannung U_B auch, eine Funktion in Form einer Tabelle in dem nicht-flüchtigen Speicher abgelegt.

In dem Fall, dass die Brückenspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf und die erste Kapazitätsspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf in einem vorgegebenen Toleranzbereich, bspw. 1% vom Messwert, bevorzugt 0,5% vom Messwert, besonders bevorzugt 0,2% vom Messwert liegen, kann davon ausgegangen werden, dass die ermittelte aktuelle Druckmessgröße vertrauenswürdig bzw. fehlerfrei ist. Anders ausgedrückt, wird wenn die Brückenspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf und die erste Kapazitätsspannung bzw. deren zeitlicher Verlauf in dem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, als Zusatzinformation festgestellt, dass die ermittelte aktuelle Druckmessgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit fehlerfrei ist.
In dem Fall, dass diese nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich liegen, wird als Zusatzinformation eine Veränderung, bspw. durch einen Fehler des Differenzdruckwandlers oder eine Änderung des Leitungsdruck in einem Prozesskanal an den der Differenzdruckwandler angebunden ist (vgl. 3), festgestellt.
Falls wie im zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, der Differenzdruckwandler 1 eine zweite Kapazität 19 aufweist, kann der Vergleich dahingehend erweitert werden, dass die Brückenspannung U_B bzw. deren zeitlicher Verlauf mit der ersten und zweiten Kapazitätsspannung bzw. deren Verläufe verglichen werden. Dies umfasst bspw. den einzelnen Vergleich jeder Kapazitätsspannung bzw. deren zeitlicher Verläufe mit der Brückenspannung U_B bzw. deren zeitlicher Verlauf aber auch den Vergleich der Brückenspannung U_B bzw. deren zeitlicher Verlauf mit einem Kombinationssignal, welches einer Kombination der ersten und zweiten Kapazitätsspannung entspricht. So kann bspw. eine Addition der ersten Kapazitätsspannung und zweiten Kapazitätsspannung zu dem Kombinationssignal führen. Für die aus dem Vergleich abgeleiteten Ergebnisse gilt wiederum das gleiche, wie bei einem Differenzdruckwandler 1 mit einer einzigen Kapazität.
Weiter kann das Verfahren, in dem Fall, dass der Differenzdruckwandler 1 zwei Kapazitäten 15, 19 aufweist, die folgenden Schritte umfassen:

– Überprüfen was die Veränderung hervorgerufen hat, wenn eine solche Veränderung in den zuvor durchgeführten Verfahrensschritten festgestellt wird.

In dem Fall, dass die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf und die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf sich im Wesentlichen gleich geändert haben, mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Änderung des Leitungsdrucks P_Leitung in dem Prozesskanal die Veränderung hervorgerufen hat.
In dem Fall, dass sich die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf geändert hat und die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf im Wesentlichen konstant geblieben ist oder in dem Fall, dass sich die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf geändert hat und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf im Wesentlichen konstant geblieben ist, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Veränderung einer Prozessmessmembran (3), insbesondere ein Prozessmembranbruch, die Veränderung hervorgerufen hat.

– Ermittlung anhand der ersten Kapazitätsspannung und der zweiten Kapazitätsspannung des Leitungsdrucks P_Leitung. Hierzu wird anhand einer Ermittlungsfunktion der Leitungsdruck P_Leitung ermittelt. Für die Ermittlungsfunktion gilt die nachstehende Beziehung:
wobei C₁ und C₂ den Wert der ersten und zweiten Kapazität bezeichnen.
– Überprüfung der Funktionstüchtigkeit der Messmembran 3, indem an die erste Elektrode 14 und die Messmembran 3 oder an die zweite Elektrode 18 und die Messmembran 3 eine Spannung angelegt wird. Auf diese Weise lässt sich als Zusatzinformation ermitteln, ob aufgrund des Anlegens der Spannung eine Auslenkung der Messmembran 3 stattfindet und somit eine funktionstüchtige Messmembran 3 vorliegt.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Anwendungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers 1. Hierbei ist der Druckmittler in eine Prozessleitung eingebracht und wie zuvor beschrieben, lässt sich ggfl. der Leitungsdruck ermitteln.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Brückenschaltung des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers 1, die zur Erfassung der Widerstandswerte in Form der Brückenspannung U_B dient.
5 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Verläufe der Brückenspannung U_B und der ersten Kapazitätsspannung gemäß des ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Differenzdruckwandler 1 lediglich eine erste Elektrode und somit auch nur eine erste Kapazität C₁ auf. Der Differenzdruckwandler 1 weist in der Ruhelage der Messmembran 3 einen Kapazitätswert von C₀ und eine Brückenspannung von U₀ auf (wie in 5 angedeutet). Die einzelnen Kurven sind dabei in dem nicht-flüchtigen Speicher hinterlegt. Typischerweise werden diese seitens des Herstellers des Differenzdruckwandlers 1 während der Fertigung aufgezeichnet. Mit Hilfe der Kurven bzw. Verläufe lässt sich eine Bewertung der während des Betriebs des Differenzdruckwandlers 1 ermittelten Messwerte bzw. Druckmessgröße durchführen. So kann eine Überprüfung der mittels der Brückenspannung U_B ermittelten Druckmessgröße anhand des ersten Kapazitätswertes bzw. dessen Verlaufes C₁ durchgeführt werden. Hierzu wird überprüft, ob der aktuell erfasste Wert der Brückenspannung U_B mit einem ebenfalls aktuell erfassten Wert für die erste Kapazität C₁ (der typischerweise in Form einer ersten Kapazitätsspannung erfasst wird) in einem vorgebbaren Toleranzbereich übereinstimmt. Der Toleranzbereich kann dabei bspw. zu 1% vom Messwert, bevorzugt zu 0,5% vom Messwert, besonders bevorzugt zu 0,2% vorgegeben sein.
In dem Fall, dass die beiden Werten in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit von einem zutreffend ermittelten Messwert ausgegangen werden.
In dem Fall, dass die beiden Werte nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen lässt sich auf eine Veränderung, bspw. aufgrund eines Defektes des Differenzdruckwandlers 1 und/oder Änderung des Leitungsdruckes P_stat, schließen.
Hinsichtlich der Änderung des Leitungsdruckes (in 5 und 6 mit P_stat abgekürzt) lässt sich dieser durch Bestimmung der Brückenspannung U_B, der ersten Kapazitätsspannung sowie des Quotienten aus Brückenspannung U_B und erster Kapazitätsspannung eindeutig bestimmen.
Hinsichtlich des Defektes des Differenzdruckwandlers 1 lässt sich eine Überprüfung der Funktionstüchtigkeit des Differenzdruckwandlers 1, insbesondere der Messmembran 3, durchführen. Hierzu wird an die erste Elektrode 14 und die Messmembran 3 eine Spannung angelegt und überprüft, ob eine erwartete Auslenkung der Messmembran 3 eintritt. Die Auslenkung der Messmembran wird, wie sonst auch, über die Brückenspannung U_B festgestellt. In dem Fall, dass die erfasste Brückenspannung U_B nicht mit der zu der angelegten Spannung erwarteten Brückenspannung U_B übereinstimmt, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Defekt des Differenzdruckwandlers 1, insbesondere der Messmembran 3, vor.
6 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Verläufe der Brückenspannung U_B und der ersten und zweiten Kapazitätsspannung des zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Differenzdruckwandlers 1. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Differenzdruckwandler 1 eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode und somit auch eine erste Kapazität C₁ und eine zweite Kapazität C₂ auf. Für dieses Ausführungsbeispiel gilt das zuvor in 5 beschriebene. Durch die zweite Kapazität C₂ lässt sich jedoch zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Möglichkeiten auch eine Redundanzprüfung bzw. eine Plausibilitätsüberprüfung durchführen.
Bezugszeichenliste

1: Differenzdruckwandler
2: Differenzdrucksensor
3: Messmembran
4: Widerstandselementen
5: Erster Gegenkörper
6: Zweiter Gegenkörper
7: Erste Druckmesskammer
8: Zweite Druckmesskammer
9: Erste Druckübertragungsleitung
10: Zweite Druckübertragungsleitung
11: Erster Druck
12: Zweiten Druck
13: Erstes Membranbett
14: Erste Elektrode
15: Erste Kapazität
16: Brückenschaltung
17: Zweites Membranbett
18: Zweite Elektrode
19: Zweite Kapazität
20: Verarbeitungseinheit
U_B: Brückenspannung
P_Leitung bzw. P_stat: Leitungsdruck bzw. statischer Druck

Claims

Differenzdruckwandler (1) zum Bestimmen einer Druckmessgröße umfassend einen Differenzdrucksensor (2) mit einer Messmembran (3) und Widerstandselementen (4) mit druckabhängigen Widerständen, wobei der Differenzdrucksensor (2) zwischen einem ersten und einem zweiten Gegenkörper (5, 6) angeordnet ist und in seinem Randbereich stoffschlüssig sowohl mit dem ersten Gegenkörper (5) als auch dem zweiten Gegenkörper (6) verbunden ist, sodass sich eine erste Druckmesskammer (7) zwischen der Messmembran (3) und dem ersten Gegenkörper (5) und eine zweite Druckmesskammer (8) zwischen der Messmembran (3) und dem zweiten Gegenkörper (6) ausbildet, wobei eine erste Druckübertragungsleitung (9) durch den ersten Gegenkörper (5) hindurchführt und der ersten Druckmesskammer (7) einen ersten Druck (11) zuführt und eine zweite Druckübertragungsleitung (10) durch den zweiten Gegenkörper (6) hindurchführt und der zweiten Druckmesskammer (8) einen zweiten Druck (12) zuführt, wobei zumindest ein erstes Membranbett (13) auf einer der Messmembran (3) zugewandten Seite des ersten Gegenkörpers (5) ausgebildet ist und eine erste Elektrode (14) das erste Membranbett (13) zumindest teilweise bedeckt, sodass sich zwischen der ersten Elektrode (14) und der Messmembran (3) eine erste Kapazität (15) ergibt, welche zumindest von einer differenzdruckabhängigen Auslenkung der Messmembran (3) abhängt und wobei über eine Brückenspannung (U_B) einer Brückenschaltung (16), die aus den Widerstandselementen (4) gebildet ist, die Druckmessgröße, die eine Differenz zwischen dem ersten Druck (11) und dem zweiten Druck (12) darstellt, ermittelbar ist.
Differenzdruckwandler nach Anspruch 1, wobei der erste Gegenkörper (5) ein im Wesentlichen nicht leitendes Material, insbesondere Glas, umfasst.
Differenzdruckwandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Gegenkörper (6) des Differenzdruckwandlers (1) ein zweites Membranbett (17) aufweist und eine zweite Elektrode (18) das zweite Membranbett (17) zumindest teilweise bedeckt, sodass sich zwischen der zweiten Elektrode (18) und der Messmembran eine zweite Kapazität (19) ergibt, welche zumindest von der differenzdruckabhängigen Auslenkung der Messmembran (3) abhängt.
Differenzdruckwandler nach Anspruch 3, wobei der zweite Gegenkörper (6) ein im Wesentlichen nicht leitendes Material, insbesondere Glas, umfasst.
Differenzdruckwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Differenzdruckwandler (1) zum Bestimmen einer Durchflussmessgröße eines in einem Prozesskanal strömenden Mediums verwendet wird, wobei in dem Prozesskanal ein Leitungsdruck vorherrscht.
Differenzdruckwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verarbeitungseinheit (20) vorgesehen ist, die eingerichtet ist zum Erfassen der Brückenspannung und/oder deren Verlauf, zum Ermitteln der aktuellen Druckmessgröße in Abhängigkeit der Brückenspannung, zum Ermitteln der ersten Kapazität und/oder deren Verlauf und zum Ermitteln zumindest einer Zusatzinformation anhand der erfassten Brückenspannung und/oder deren Verlauf und der erfassten ersten Kapazität.
Verfahren zum Betreiben eines Differenzdruckwandlers (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Erfassen der Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf; – Ermitteln der aktuellen Druckmessgröße in Abhängigkeit der Brückenspannung; – Ermitteln der ersten Kapazität (15) und/oder deren Verlauf; – Ermitteln der zumindest einen Zusatzinformation anhand der erfassten Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf und der erfassten ersten Kapazität (15).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Vergleich der Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf mit einer der ersten Kapazität (15) entsprechenden ersten Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf durchgeführt wird und in dem Fall, dass die Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, die anhand der Brückenspannung (U_B) ermittelte aktuelle Druckmessgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit vertrauenswürdig ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei in dem Fall, dass die Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, eine Veränderung festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 und 8, wobei eine zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf in Abhängigkeit von der zweiten Kapazität (19) erfasst wird, wobei ein Vergleich der Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf mit der ersten und/oder zweiten Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf bzw. Verläufe durchgeführt wird, wobei in dem Fall, dass die Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf und die erste und/oder zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf bzw. Verläufe in einem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, die anhand der Brückenspannung (U_B) ermittelte aktuelle Druckmessgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit vertrauenswürdig ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Fall, dass die Brückenspannung (U_B) und/oder deren Verlauf und die erste und zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verläufe nicht in dem vorgegebenen Toleranzbereich übereinstimmen, eine Veränderung festgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei in dem Fall, dass eine Veränderung vorliegt, überprüft wird, was die Veränderung hervorgerufen hat.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Fall, dass die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf und die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf sich im Wesentlichen gleich geändert haben, mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Änderung des Leitungsdrucks in dem Prozesskanal die Veränderung hervorgerufen hat.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in dem Fall, dass sich die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf geändert hat und die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf im Wesentlichen konstant geblieben ist oder in dem Fall, dass sich die zweite Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf geändert hat und die erste Kapazitätsspannung und/oder deren Verlauf im Wesentlichen konstant geblieben ist, mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Veränderung einer Prozessmessmembran (3), insbesondere ein Prozessmembranbruch, die Veränderung hervorgerufen hat.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14, wobei anhand der Brückenspannung (U_B) und der ersten und/oder der zweiten Kapazitätsspannung der Leitungsdruck ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Leitungsdruck anhand einer Ermittlungsfunktion ermittelt wird, für die gilt:
wobei C₁ und C₂ den Wert der ersten und zweiten Kapazität bezeichnen.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 16, wobei an die erste Elektrode (14) und die Messmembran (3) oder an die zweite Elektrode (18) und die Messmembran (3) eine Spannung angelegt wird und als Zusatzinformation ermittelt wird, ob aufgrund des Anlegens der Spannung eine Auslenkung der Messmembran (3) stattfindet und in dem Fall, dass eine Auslenkung der Messmembran (3) mittels der Brückenspannung erkannt wird, von einer funktionstüchtigen Messmembran (3) ausgegangen wird.