DE19741037C1 - Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals - Google Patents

Verfahren zur Korrektur eines Differenzdrucksignals

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Description

Differenzdruck-Meßumformer sind allgemein bekannt und beispielsweise in DE 35 12 529 A1 beschrieben.
Solche Differenzdruck-Meßumformer werden durch unterschiedliche Störgrößen, wie beispielsweise Temperatur, Materialkonstanten und statischem Druck, beeinflußt. Diese Störgrößen sind aus dem eigentlichen Meßsignal zu eliminieren. In der Regel wird daher die Störgröße bestimmt und anschließend kompensiert.
Aus der DE 195 31 926 A1 ist ein Korrekturverfahren für ein Differenzdrucksignal bekannt, das von Materialkonstanten, der Temperatur und dem statischen Druck abhängig ist. Bei diesem Korrekturverfahren wird ein erstes und ein zweites kontinuierlich mit einem Differenzdruck-Meßumformer gemessenes Drucksignal bestimmt. Diese werden mit den gleichzeitig im Differenzdruck-Meßumformer gemessenen Temperatursignalen als Sätze von Polynomkoeffizienten meßumformerindividuell einmalig als Konstanten bestimmt und abgespeichert. Dabei wird aus dem ersten und dem zweiten Drucksignal ein Absolutdrucksignal ermittelt. Um eine sehr genaue Abbildung des korrigierten Differenzdrucksignals auf den tatsächlichen Differenzdruck zu ermöglichen, werden für jede zu korrigierende Abhängigkeit zwischen den gemessenen Größen die Koeffizienten eines separaten Korrekturpolynoms bestimmt. Außerdem wird das Differenzdrucksignal rekursiv aus dem gemessenen Differenzdrucksignal, dem gemessenen Absolutdrucksignal, dem Temperatursignal und sich selbst durch Verknüpfung mit den Korrekturpolynomen entsprechend ihrer Abhängigkeit korrigiert.
Es hat sich bei dem genannten Korrekturverfahren jedoch gezeigt, daß die Richtung der Temperaturänderung nicht berücksichtigt wird. Damit kann die Kompensation des Störsignals auch nur für eine Richtung der Temperatur optimal verlaufen. Wird ein Meßumformer einem vollständigen Temperaturzyklus ausgesetzt, so entsteht ein Fehlerbild, daß auch als Temperaturhysterese und deren Drift bezeichnet wird. Diese Richtungsabhängigkeit des Differenzdruck-Meßumformers von der Temperatur wird durch keine der bekannten Korrekturverfahren kompensiert.
Aufgabe der Erfindung ist demnach, ein Korrekturverfahren für Meßumformer zu entwickeln, das von der Änderungsrichtung der Temperatur abhängige Einflüsse kompensiert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung wird bei einer für sich bekannten Sensoreinrichtung für Differenzdruckmessungen verwendet. Ein solcher Differenzdrucksensor werden Prozeßdrücke p1 und p2 in eine Druckkammer zum Messen zugeführt. Der Differenzdrucksensor weist in seinem Innern auf einer Meßmembran leitfähige Belege auf, deren Flächen sich parallel gegenüberstehen und im zwei elektrische Kondensatoren mit den Kapazitäten C1 und C2 bilden.
Die Kondensatoren sind elektrisch mit einem Meßumformer verbunden. Ein Temperatursensor erfaßt die Temperatur θ der Sensoreinrichtung. Er ist gleichfalls elektrisch mit dem Meßumformer verbunden.
Aus den Eingängen p1 und p2 und deren Umgebungstemperatur θ werden, nachdem die analogen elektrischen Signale digitalisiert sind, die Prozeßgrößenabbildungen ABG(Δp), ABG(p) und ABG(θ) im Meßumformer berechnet, wobei mit ABG(...) jeweils entsprechende die Prozeßgrößenabbildung bezeichnet werden,
Δp = p1 - p2 der Differenzdruck und
p = (p1 + p2)/2 der absolute Prozeßdruck ist.
Diese Prozeßgrößen Δp, p und θ werden mit Hilfe der Prozeßgrößenabbildungen ABG(...) auf Polynome abgebildet, deren Polynomkoeffizienten in einem Speicher abgespeichert werden.
Da die Teilkapazitäten C1 und C2 sowohl von den Prozeßdrücken p1 und p2, sowie von der Umgebungstemperatur θ, als auch von der thermischen Hysterese "thy" abhängig sind, ist auch die Summe ΣC beider Teilkapazitäten C1 und C2 von diesen Parametern abhängig. Somit läßt sich die Summe der Teilkapazitäten ΣC(p1, p2, θ, thy) als Funktion dieser Parameter beschreiben. Diese Summe der Teilkapazitäten ΣC ist eine rein analoge Größe, die digitalisiert und auf eine Hysteresefunktion h(Δp, p, θ, thy) abgebildet wird. Die Hysteresefunktion ist neben den Parametern Δp, p, θ auch von einer thermischen Hysterese "thy" abhängig. Um die Hysteresefunktion in alleiniger Abhängigkeit der thermischen Hysterese zu erhalten, müssen die Parameter Δp, p und θ zu Null gesetzt werden.
Dazu werden vor Inbetriebnahme des Meßumformers meßumformerindividuelle Werte für die Parameter Differenzdruck, Temperatureinfluß auf den Offset sowie auf die Spanne der Hysterese als Polynomkoeffizienten mit Funktionen f(θ) und f(Δp, 0, 0, 0) ermittelt und als Konstanten in einem Speicher abgespeichert: Es ergeben sich daraus dann die folgenden Korrekturpolynome:
P(β0(θ)) das dem Temperatureinfluß auf den Offset der Hysterese entspricht;
P(β1(θ)) das dem Temperatureinfluß auf die Spanne der Hysterese entspricht;
P(β(Δp)) das dem Einfluß der Sensoraussteuerung entspricht.
Mit hinreichender Näherung läßt sich damit nun folgende Beziehung für die Funktion der Hysterese aufstellen:
h(0, p, 0, thy) = (h(Δp, p, thy) - P(β0(θ))) . P(β1(θ)) - P(β(Δp))
Diese Hysteresefunktion "h" weist neben dem Parameter der thermischen Hysterese "thy" nur noch den Einfluß des absoluten Prozeßdrucks p auf. Sie bestimmt das den Prozeßdruck abbildende Polynom:
ABG(p) = g(h(0, p, 0, thy)).
Der Anteil des absoluten Prozeßdrucks p in der Hysteresefunktion h(0, p, 0, thy) wird durch das Polynom P(p) = g(ABG(p)) beschrieben. Damit folgt für die Hysteresefunktion:
h(0, 0, 0, thy) = h(0, p, 0, thy) - P(p)
Die Kompensation der Prozeßgrößenabbildung des Differenzdrucks ABG(Δp) berechnet sich daraus nun wie folgt:
Der Sensorausgang ΔC/ΣC(p1, p2, θ, thy) bildet nach Konversion und Digitalisierung Δp auf f(Δp, p, θ, thy) ab. Mit den Funktionen f(θ) und h(0, p, 0, thy) werden Korrekturpolynome P(α0(θ)), P(α1(θ)) und P(α0(pθ)) berechnet, wobei
P(α0(θ)) den Temperatureinfluß auf den Offset,
P(α1(θ))Temperatureinfluß auf die Spanne und
P(α0(p)) den Druckeinfluß auf den Offset beschreibt.
Mit der zuvor berechneten Hysteresefunktion h(0, 0, 0, thy) werden die Hysteresekompensationspolynome P(α0(thy)) und P(α1(thy)) berechnet. Dabei steht das Polynom P(α0(thy)) für den Einfluß auf Offset und P(α1(thy)) für den Einfluß auf die Spanne der Funktion f(Δp, p, θ, thy). Durch mathematische Verknüpfung der folgenden Form wird die Funktion f(Δp, 0, 0, 0) geliefert:
f(Δp, 0, 0, 0) = (f(Δp, p, θ, thy) - P(α0(θ)) - P(α0(p)) - P(α0(thy))) . P(α1(θ)) - P(α1(θ)) Pα1 (thy)).
Diese Beschreibung liefert eine von den Störgrößen befreite Prozeßgrößenabbildung ABG(Δp), denn
ABG(Δp) ∼ f(Δp, 0, 0, 0)
Die Kompensation der Prozeßgrößenabbildung des Absolutdrucks ABG(p) berechnet sich wie folgt:
Mit der Hysteresefunktion h(0, 0, 0, thy) wird das Korrekturpolynom P(γ0(thy)) berechnet. P(γ0(thy)) beschreibt den Einfluß auf den Offset der Abbildung ABG(p). Damit wird dann der Anteil der thermischen Hysterese "thy" eliminiert:
ABG(p) = ABG(p, thy) - P(γ0(thy))
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines an eine kapazitive Sensoreinrichtung angeschlossenen Differenzdruck-Meßumformers unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines an einer Sensoreinrichtung angeschlossenen Meßumformers,
Fig. 2 den gerätetypischen Verlauf einer Temperaturhysterese vor der Kompensation der Störgrößen,
Fig. 3 den gerätetypischen Verlauf einer Temperaturhysterese nach der Kompensation der Störgrößen und
Fig. 4 einen Strukturplan des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird bei einer für sich bekannten Sensoreinrichtung 10 verwendet, die prinzipiell im Schnitt in Fig. 1 dargestellt ist. Ein Differenzdrucksensor 12 mit einer beweglichen Meßmembran 14 ist in einem Grundkörper 16 angeordnet und von einem Fluid 18 als Druckmittler umspült. Der Grundkörper 16 ist zwischen zwei Kappen 20, die jeweils einen Druckeinlaß 22 zur Zuführung der Prozeßdrücke p1 und p2 in eine Druckkammer 24 aufweisen, angeordnet. Die Druckkammern 24 sind mit jeweils einer Trennmembran 26 gegen das Fluid 18 abgeschlossen. Der Differenzdrucksensor 12 weist in seinem Innern sowie auf der Meßmembran 14 leitfähige Belege auf, deren Flächen sich parallel gegenüberstehen und zwei elektrische Kondensatoren mit den Kapazitäten C1 und C2 bilden.
Die Kondensatoren sind elektrisch mit einem Mittel zur Meßwertverarbeitung 28 verbunden wobei die schematisiert dargestellten Verbindungsleitungen mit druckfesten Durchführungen 30 durch eine Wandung des Grundkörpers 16 geführt sind.
Weiterhin ist ein Temperatursensor 3 vorgesehen, der die Temperatur des Grundkörpers 16, der den größten thermischen Speicher der Sensoreinrichtung 10 darstellt, erfaßt und der elektrisch mit dem Mittel zur Meßwertverarbeitung 28 verbunden ist.
In den Fig. 2 und 3 wird das Temperaturverhalten des Ausgangssignals eines Differenzdruckmeßgerätes graphisch dargestellt. Auf der Abszisse 34 ist jeweils die Temperatur in Grad Celsius aufgetragen und auf der Ordinate 32 das Ausgangssignal mit einer relativen Skala. In Fig. 2 wird ein Signalverhalten ohne irgendeine Störgrößenkompensation gezeigt. Fig. 3 zeigt das Signalverhalten mit Störgrößenkompensation, jedoch ohne die thermische Hysterese bzw. Drift zu berücksichtigen. Von dem Startpunkt 36 wird die Temperatur des Differenzdruck- Meßumformers kontinuierlich bis zu einer bestimmten Temperatur (hier: ca. 80°) erhöht. Anschließend wird die Temperatur wieder kontinuierlich erniedrigt (hier: ca. -30°). Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis keine Abweichungen in der Hysterese mehr erkennbar sind. Aus der Ähnlichkeit dieser Verlaufsform mit dem Hysteresebild einer zyklisch beanspruchten Feder läßt sich auf einen elastischen Defekt im Sensor oder im Bereich des Sensor-Gehäuseüberganges schließen. Wenn ein Druck- oder ein Differenzdrucksensor aus mehreren Teilen mit differierenden thermischen Ausdehnungen zusammengesetzt ist, wird er nicht mehr winkeltreu temperaturabhängig verformt. Das folgt auch bei nicht vermeidbaren Ausdehnungsunterschieden zwischen Sensor und Gehäusematerial, beispielsweise dann, wenn ein Sensor aus Silicium oder Keramik mit einem Gehäuse aus austentischem Stahl kraft- und formschlüssig verbunden wurde. Die Verformung führt zur Änderung der Meßspanne, bei Achsenasymmetrie zusätzlich auch zur Offsetänderung. Die durchgezogene Linie 38 zeigt die erste durchlaufene Temperaturhysterese, die gestrichelte Linie 40 die zweite und die gepunktete Linie 42 die dritte. Die Temperaturhysterese und deren Drift bleibt nach den bekannten Störkompensationen, wie in Fig. 3 dargestellt, erhalten.
Fig. 4 zeigt einen Strukturplan zur Kompensation des Temperaturhystereseeffekts bzw. deren Drift. Die Prozeßdrücke p1 und p2 sowie die Umgebungstemperatur θ wirken auf die Differenzdruckmeßzelle 44. Sowohl die Summe, als auch die Differenz der Kapazitäten C1 und C2 sind von den Parametern p1, p2, θ und der thermischen Hysterese "thy" abhängig. Die Summe der Kapazitäten ΣC = C1 + C2 wird auf die Hysteresefunktion h(Δp, p, θ, thy) abgebildet. Mit den Polynomen 46, 48, 50 wird die Hysteresefunktion h(0, p, 0, thy) 52 berechnet. Das Polynom P(β(Δp)) 46 errechnet sich durch die Funktion f(Δp, 0, 0, 0) 54. Die Korrekturpolynome P(β0(θ)) und P(β1(θ)) 48, 50 werden durch die Funktion f(θ) 90 ermittelt, wobei die Funktion 90 eine Funktion der Meßzellentemperatur θ ist.
Die Funktion f(Δp, 0, 0, 0) 54 wird aus der Funktion f(Δp, p, θ, thy) rekursiv unter Zuhilfenahme der Verknüpfung A0(p, θ, thy) 56 der als Konstanten abgespeicherten Korrekturpolynome P(α0(p)) 58, P(α0(thy)) 60, P(α0(θ)) 62 und über die Verknüpfung A1(p, θ, thy) 64 der Korrekturpolynome P(α1(p)) 66, P(α1(thy)) 68, P(α1(θ)) 70 berechnet.
Unter Verwendung des Polynoms P(p) 72, das sich aus der Abbildungsfunktion ABG(p) 74 bestimmt, wird die Hysteresefunktion h(0, 0, 0, thy) 76 in alleiniger Abhängigkeit von der thermischen Hysterese thy rekursiv ermittelt.
Die Funktion f(Δp, 0, 0, 0) 54 entspricht gerade der Abbildungsfunktion des Differenzdrucks ABG(Δp) 78, die nach bekannter Art mit der Funktion 80 in pyhsikalische Einheiten umgerechnet werden. Mit der Hysteresefunktion h(0, 0, 0, thy) 76 wird der Einfluß auf den Offset P(γ0(thy)) 82 der Abbildungsfunktion des absoluten Drucks ABG(p) 74 rekursiv berechnet. Die Abbildungsfunktion des absoluten Drucks ABG(p) 74 wird nach bekannter Art mit der Funktion 84 in pyhsikalische Einheiten umgerechnet. Aus der Funktion f(θ) läßt sich direkt die Abbildungsfunktion 86 ABG(θ) für die Temperatur θ herleiten und mit der Funktion 88 in physikalische Einheiten umrechnen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erzeugung eines korrigierten Differenzdrucksignals f(Δp, 0, 0, 0), wobei
  • a) die Korrektur von verschiedenen Störgrößen, wie
    • 1. Materialkonstanten,
    • 2. dem statischen Druck,
    • 3. der Temperatur und
    • 4. der Richtung, mit der die Temperaturhystereseschleife durchlaufen wird,
    abhängig ist,
  • b) das Differenzdrucksignal f(Δp, p, θ, thy) aus einem ersten und einem zweiten kontinuierlich mit einem Differenzdruck-Meßumformer gemessenen n Drucksignal f(p1) und f(p2) bestimmt wird,
  • c) mit einem in dem Differenzdruck-Meßumformer gemessenen Temperatursignal f(θ), bei dem Sätze von Polynomkoeffizienten unter vorgegebenen Prozeßbedingungen meßumformerindividuell einmalig ermittelt und als Konstanten abgespeichert werden,
  • d) bei dem aus dem ersten und dem zweiten Drucksignal f(p1) und f(p2) ein Absolutdrucksignal h(Δp, p, θ, thy) ermittelt wird,
  • e) für die zu korrigierenden Abhängigkeiten zwischen den ermittelten und gemessenen Größen die Koeffizienten
    • 1. eines die Abhängigkeit des Offsets der thermischen Hysterese von der Temperatur beschreibenden Korrekturpolynoms P(β0(θ)) (48),
    • 2. eines die Abhängigkeit der Spanne der thermischen Hysterese von der Temperatur, beschreibenden Korrekturpolynoms P(β1(θ)) (50),
    • 3. eines die Abhängigkeit der Aussteuerung vom Differenzdruck beschreibenden Aussteuerungskorrekturpolynoms P(β(Δp)) (46),
    • 4. eines die Abhängigkeit des Offsets von der Temperatur beschreibenden Offsetkorrekturpolynoms P(α0(θ)) (62),
    • 5. eines die Abhängigkeit der Spanne von der Temperatur beschreibenden Korrekturpolynoms P(α1(θ)) (70),
    • 6. eines die Abhängigkeit des Offsets vom Absolutdruck beschreibenden Offsetkorrekturpolynoms P(α0(p)) (58),
    • 7. eines die Abhängigkeit des Offsets des Absolutdrucks von der thermischen Hysterese beschreibenden Offsetkorrekturpolynoms P(α0(thy)) (60),
    • 8. eines die Abhängigkeit der Spanne des Absolutdrucks von der thermischen Hysterese beschreibenden Spannenkorrekturpolynoms P(α1(thy)) (68),
    • 9. eines die Abhängigkeit des Offsets der Abbildungsfunktion des Absolutdrucks von der thermischen Hysterese beschreibenden Korrekturpolynoms P(γ0(thy)) (82) und
    • 10. eines die Abhängigkeit der thermischen Hysterese vom Absolutdruck beschreibenden Korrekturpolynoms P(p) (72)
    bestimmt werden,
  • f) die Koeffizienten der Korrekturpolynome (48, 50, 68, 72, 82) für die thermische Hysterese thy und deren Drift als vorgegebenen Prozeßbedingungen meßumformerindividuell einmalig ermittelt und als Konstanten abgespeichert werden und
  • g) das Differenzdrucksignal f(Δp, 0, 0, 0) rekursiv aus dem gemessenen Differenzdrucksignal f(Δp, p, θ, thy), dem gemessenen Absolutdrucksignal h(Δp, p, θ, thy), dem Temperatursignal f(θ), der thermischen Hysterese thy und sich selbst durch Verknüpfung mit den Korrekturpolynomen (46, 48, 50, 58, 62, 66, 68, 70, 72, 82) entsprechend ihrer Abhängigkeiten korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Absolutdrucksignal ABG(p) rekursiv aus dem gemessenen Differenzdrucksignal f(Δp, p, θ, thy), dem gemessenen Absolutdrucksignal h(Δp, p, θ, thy), dem Temperatursignal f(θ), der thermischen Hysterese thy und sich selbst durch Verknüpfung mit den Korrekturpolynomen (46, 48, 50, 58, 62, 66, 68, 70, 72, 82) entsprechend ihrer Abhängigkeiten korrigiert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturpolynome (48, 50, 68, 72, 82) zur Kompensierung der thermischen Hysterese thy rekursiv mit den Korrekturpolynomen (46, 58, 62, 66, 70) der anderen Störgrößen ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß mit den Korrekturpolynomen (48, 50) die Spanne und/oder der Offset der thermischen Hysterese thy kompensiert wird.
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