DE69419183T2

DE69419183T2 - Methode zur temperaturkompensation für druckwandler

Info

Publication number: DE69419183T2
Application number: DE69419183T
Authority: DE
Inventors: Olle Mattsson
Original assignee: Getinge AB
Current assignee: Getinge Sterilization AB
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1994-12-02
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2014-12-03
Also published as: ES2132628T3; EP0803054A1; US5877423A; AU1468995A; FI972895A0; ZA9510231B; WO1996017236A1; FI972895A; DE69419183D1; AU691239B2; JPH11511849A; EP0803054B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Temperatur in Drucksensoren. Der Drucksensor wandelt dabei den aufgenommenen Druck in ein elektrisches Signal um, das durch eine Meßeinrichtung aufgenommen wird.
Ein zu diesem Zweck eingesetztes, bekanntes Verfahren beruht darauf, eine Anzahl von Widerständen an einer druckempfindlichen Membran anzuordnen, wobei sich die Widerstandswerte dieser Widerstände in Abhängigkeit von Änderungen der Konfiguration der Membran ändern, wenn diese Druckänderungen ausgesetzt ist. In der Regel sind die Widerstände in einer als Wheatstonesche Brücke bekannten Brückenschaltung elektrisch verbunden.
Alle Meßwertaufnehmer haben unabhängig davon, ob sie Widerstände aufweisen, die durch Dünnfilme oder Dickfilme auf einem isolierenden Matierial oder durch Ionenimplantation in Siliciummaterialien (bekannt als die piezoresistive Meßwertaufnehmer) hergestellt wurden, den Nachteil, extrem temperaturabhängig zu sein. Dies bedeutetet, daß das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers, das den Druck in einem bestimmten Moment wiedergibt, sich bei Temperaturänderungen ändert, auch wenn der Druck konstant bleibt. Diese Temperaturabhängigkeit kann in manchen Fällen extrem hoch sein.
Wenn der Druckmeßwertaufnehmer in einer Anwendung eingesetzt ist, bei der die Temperaturschwankungen vergleichsweise gering sind, kann er kalibriert werden, wenn sich die Umgebungsbedingungen weitgehend stabilisiert haben.
Danach sind die Wirkungen von den Temperaturschwankungen weitgehend vernachlässigbar.
Weitere bekannte Verfahren zur Kompensation der Temperatur bestehen darin, Widerstände mit bekannten Temperaturkennlinien in verschiedenen Diagonalen der Brücke zu verbinden oder das Ausgangssignal bei Temperatureinflüssen mittels einer in den Meßwertaufnehmer eingebauten Elektronik aktiv auszugleichen. Jedoch ist in diesem Fall auch die Elektronik den besagten Temperaturschwankungen ausgesetzt und als Folge müssen auch diese Schwankungen beachtet werden. Solange wie die Temperaturschwankungen klein sind, ist es dennoch möglich, mit jedem der vorgenannten Verfahren akzeptable Meßergebnisse zu erhalten.
Bei thermischer Sterilisierung mittels Dampf in einem Autoklav sind die Bedingungen andererseits sehr schwer zu handhaben, da während eines Ablaufs der Druck zwischen ungefähr 30 Millibar absolutem Druck und annähernd 5 Bar absolutem Druck variiert, was ein Druckverhältnis von ungefähr 1 zu 150 bedeutet. Zur gleichen Zeit variierte die Temperatur zwischen ungefähr 20ºC und 140ºC. Desweiteren erfolgen die Wechsel zwischen den Maximal- und den Minimalwerten und umgekehrt, sowohl bezüglich des Drucks als auch der Temperatur, schnell und mehrmals innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne während eines Ablaufs.
Die vorgenannten Stabilisierungsmethoden gemäß dem Stand der Technik sind bei dieser Anwendung jedoch völlig ungeeignet, um die Anforderungen an die Genauigkeit in bezug auf die Präzision der gemessenen Werte der Sterilisierung zu erfüllen. Insbesondere für den Fall niedriger Drücke sind die prozentualen Abweichungen der gemessenen Werte sehr beachtlich, oftmals mehrere hundert Prozent. Gleichzeitig sind niedere Drücke in diesem Zusammenhang ein wichtiger Meßbereich.
Bei einer solchen extremen Anwendung wie Dampfsterilisierung wurden deshalb zahlreiche Messungen vorgenommen um Temperatureffekte auf den Drucksensor zu vermeiden.
Beispiele solcher Messungen sind die Isolierung des Drucksensors von dem Inneren des Autoklavs, wo der Druck gemessen wird und Übertragung des Drucks auf den Sensor beispielsweise durch einen Ölpuffer, ein Wasserbehältnis oder den Einsatz von Kapillarröhren. Eine weitere Möglichkeit ist ein Kühlen des Drucksensors um zu verhindern, das dieser dem Temperaturanstieg im Inneren das Autoklavs folgt.
Alle diese verschiedenen, vorbekannten Verfahren zur Vermeidung eines Temperaturanstiegs in dem Drucksensor erfordern jedoch die Ausbildung von Hohlräumen zwischen der Kammer des Autoklavs und dem Sensor. Solche Hohlräume sind unerwünscht und normalerweise nach den gängigen Standardspezifizierungen auch nicht zulässig, da sich in ihnen eine Umgebung ausbildet die die Ansammlung und das Wachstum von Mikroorganismen fördert. Stattdessen ist es ein Ziel, in der Lage zu sein, das aufnehmende Membran des Drucksensors direkt in die Wand des Inneren des Autoklavs zu positionieren, ohne den Einsatz von Zwischenrohren oder Zwischenleitungen.
Selbstverständlich ist es immer möglich einen separaten Temperatursensor an oder benachbart zu der Membran zum Zwecke der Messung der tatsächlichen Temperatur während des Druckaufnahmevorgangs anzuordnen. Dies löst jedoch nicht das Problem, da der Drucksensor nur Informationen über die Temperatur an dessen Anordnungpostition an die Membran liefert und nicht über die tatsächlichen Effekte, denen die druckempfindlichen Widerstände ausgesetzt sind.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren vor, das es möglich macht, die Membran des Drucksensors wie gewünscht direkt in der Wand der Kammer des Autoklavs zu positionieren, um unerwünschte Hohlräume zu vermeiden, wobei gleichzeitig eine Kompensation der Temperatur in allen für den Autoklavierprozeß relevanten Temperaturbereichen erzielt wird und exzellente Meßergebnisse innerhalb des in Frage kommenden Meßbereichs erzielt werden. Der Drucksensors, der in diesem Zusammenhang in Betracht kommen könnte, ist eine, bei dem ein Druck mittels einer Membran erfaßt wird, die an einer elektrischen Brückenschaltung mit vier in einer vierseitigen Brücke in Reihe geschalteten Widerständen angeschlossen ist, einer sogenannten Wheatstoneschen Brücke, wobei die Widerstände ihre Werte aufgrund auf von der Konfigurationsänderungen der Membran ändern, die durch Änderungen des aufgenommenen Drucks bewirkt werden. Die charakteristischen Merkmale des Verfahrens sind den Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Brückenerschaltung, die als Meßeinrichtung eines nicht dargestellten Drucksensors in einem Autoklav dient und die mit der Membran des Drucksensors verbunden ist,
Fig. 2 eine graphische Darstellung, wobei der Kurvenverlauf die in Millivolt/Bar ausgedrückte Empfindlichkeit des Drucksensors darstellt,
Fig. 3 eine graphische Darstellung, dessen Kurven die Empfindlichkeit zweier verschiedener Drucksensoren als Funktion des sich ergebenden Widerstands der Brücke darstellt,
Fig. 4 eine graphische Darstellung, wobei Kurven den sogenannten Offset in bezug auf zwei verschiedene Drucksensoren als eine Funktion des sich ergebenden Widerstands der Brücke darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu vorgesehen, bei Drucksensoren jener Art eingesetzt zu werden, bei denen der Sensor eine Membran aufweist, die ihre Konfiguration in Folge von. Druckänderungen ändert und die an eine elektrischen Brückenschaltung 1 angeschlossen ist. Wie sich aus Fig. 1 ergibt besteht die Brückenschaltung 1 aus vier miteinander verbundenen Widerständen 2, 3, 4 und die in Reihe und als Viereck miteinander verbunden sind und eine Schaltung bilden die im allgemeinen als Wheatstonesche Brücke bezeichnet wird. Die Widerstände 2, 3, 4, 5 ändern ihre Werte primär in Folge von Änderungen der Konfiguration der Membran, werden aber ebenso durch Temperaturschwankungen beeinflußt. Um bei der Druckmessung ein elektrisches Meßsignal in zwei diagonal gegenüberliegenden Punkten 6, 7 in der Brückenerschaltung 1 zu erhalten, sind zwei gegenüberliegend angeordnete Punkte 8, 9 der Brückenerschaltung 1 an Strom bzw. Spannung angeschlossen. Die Versorgung mit Strom bzw. Spannung ist konstant, um eine Beeinflussung der Ausgangssignale an den Punkten 6, 7 zu vermeiden.
Wenn die Versorgung in Form einer konstanten Spannung erfolgt, ist der Spannungsabfall zwischen den beiden Versorgungspunkten 8, 9 unabhängig davon, wie die vier Widerstände 2, 3, 4, 5 ihre jeweiligen Werte ändern, immer konstant. Das Ausgangssignal zwischen den beiden anderen Punkten 6, 7 folgt den Werten der vier Widerstände in der herkömmlichen Weise.
Wenn die Brücke 1 jedoch mit einem konstanten Strom versorgt ist, ist es ebenso möglich, den Gesamtwiderstand der Brücke an den zwei Versorgungspunkten 8, 9 zu messen. Diese Größe ist ein hervorragender Referenzwert der Temperaturabhängigkeit des Drucksensors, da sie in direkten Bezug zu dem bei der Druckbestimmung eingesetzten Widerständen. 2, 3, 4, 5 steht.
Jeder Drucksensor weist eine Empfindlichkeit auf, die beispielsweise in Minivolt/Bar angegeben ist. Im Ideal fall bildet das Ausgangssignal eines Drucksensors, wie in Fig. 2 dargestellt, eine vom Nullpunkt ausgehende gerade Linie mit einer der Empfindlichkeit des Drucksensors entsprechenden Steigerung. Tatsächlich werden sowohl der Nullpunkt (Offset) als auch die Steigung (Empfindlichkeit) durch die Temperatur beeinflußt.
Bei der Herstellung von Drucksensoren werden der Offset (die Nullpunktverschiebung) und die Steigung als Funktionen des gesamten Brückenwiderstands des angeordneten Drucksensors über dem für den Drucksensor relevanten Temperaturbereich bestimmt. Der Brückenwiderstand RB ist das Verhältnis zwischen der Spannung UB an der Brücke 1 und dem Versorgungsstrom ik durch die Brücke. Die nachstehende Tabelle bezieht sich auf einen bestimmten Drucksensor, dessen Temperaturabhängigkeit in Intervallen von 20ºC von Zimmertemperatur bis ungefähr 140ºC bestimmt wurde. Die Werte des Offsets und der Empfindlichkeit wurden gemäß die dem Beispiel bei sieben verschiedenen Temperaturen als Funktionen des Brückenwiderstands aufgezeichnet. Die Meßwerte wurden im Speicher eines Computers abgelegt und sind die Daten, auf denen die Berechnungen zur Kompensation der Temperatur basieren.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer graphischen Darstellung worin ein Kurvenpaar die Meßwerte der Empfindlichkeit von zwei Drucksensoren als eine Funktion von RB zeigt. Fig. 4 zeigt in entsprechender Weise eine graphische Darstellung des Offsets von zwei Drucksensoren als eine Funktion von RB. Die Intervalle zwischen zwei benachbarten Meßpunkten sind mittels gerader Linien verbunden und die Berechnung erfolgt durch Interpolierung zwischen den Meßpunkten, was eine Vereinfachung einer kontinuierlichen Funktion ist.
Da bei jedem einzelnen Drucksensor separat in dieser Weise verfahren wird und dessen Kennwerte in einen Computer eingegeben werden, wird als Ergebnis der Computerberechnungen zu jedem Temperaturwert eine volle Kompensation der Temperatur erhalten. In Fig. 2 zeigen die gepunkteten Linien wie im Falle eines Ausgangssignals ein Druckwert P&sub1; in dem vorliegenden Fall ermittelt wird, wobei nach der Temperaturkompensation der korrektere Wert P&sub2; erhalten wird.
In Fig. 1 sind zwei Widerstände R&sub1; und R&sub2; angegeben, die zu den jeweiligen Widerständen 3 und 4 parallel geschaltet und zum Zwecke einer groben Kompensation der Temperatur vorgesehen sind. Desweiteren ist ein Widerstandspaar R&sub3; und R&sub4; zum Zwecke der Minimierung des Offsets angeschlossen. Mit Vorteil können jedoch diese Widerstände R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; in dem Steuerungssystem angeordnet werden, wo sie geringeren Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, als wenn sie direkt an dem Drucksensor angeordnet wären. Dies ist jeweils durch strichpunktierte Linien und durch Linienunterbrechungen 10 und 11 dargestellt. Die durch diese Widerstände R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; erzielte grobe Kompensation erfordert geringere Korrekturen des Computerprogramms, was zu einem deutlichen Anstieg der Meßgenauigkeit führt.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation der Temperatur bei Drucksensoren, bei denen der Druck mittels einer Membran erfaßt wird, die in einer elektrischen Brückenschaltung mit vier in einer vierseitigen Brücke (1), einer Wheatstoneschen Brücke, in Reihe geschalteten Widerständen (2, 3, 4, 5) liegt, wobei die Widerstände ihre Werte als Reaktion auf solche Änderungen der Membrankonfiguration ändern, die durch Änderungen des erfaßten Druckes bewirkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke (1) an zwei gegenüberliegenden Punkten (8, 9) mit einem Konstantstrom (ik) versorgt wird und Ausgangssignale von der Brücke (1) einem Rechner zugeführt werden, der von Temperaturschwankungen an der Meßstelle nicht beeinflußt ist, wobei erste Meßpunkte, die den Offset des Drucksensors bei mehreren Temperaturhöhen wiedergeben, in einem Kurvenbild aufgetragen werden, das die Spannung als Funktion des sich ergebenden Widerstands (RB) der Brücke (1) anzeigt, daß danach benachbarte Meßpunkte durch Geraden miteinander verbunden werden und eine Berechnung durch Interpolation zwischen den Meßpunkten durchgeführt wird, daß die Empfindlichkeit des Drucksensors, wie in Span nungs-/Druckeinheiten, auf entsprechende Weise bei verschiedenen Temperaturhöhen durch Auftragen zweiter Meßpunkte in einem zweiten Kurvenbild bestimmt wird, das die Empfindlichkeit als Funktion des sich ergebenden Widerstands (RB) anzeigt, und das die letztgenannten Meßpunkte auf ähnliche Weise mittels Geraden miteinander verbunden werden und die Berechnung durch Interpolation zwischen den Meßpunkten und Verarbeiten der sich ergebenden Kurvenbilder in dem Rechner ausgeführt wird, wonach ein Signal von dem Druckmeßwert einen direkt temperaturkompensierten Druckwert bereitstellt, der von einem dritten Kurvenbild abgelesen werden kann, das ein zu dem herrschenden Druck proportionales Ausgangssignal anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet die zwei erste Widerstände (R&sub1;, R&sub2;), die an ihrem jeweiligen Widerstand (3 bzw. 4) in der Brückenschaltung parallelgeschaltet sind und zur groben Temperaturkompensation bestimmt sind, und zwei andere Widerstände (R&sub3;, R&sub4;), positionieren werden, die mit ihrem jeweiligen der verbleibenden Widerstände (2 bzw. 5) in der Brückenschaltung in Reihe geschaltet sind und die Abweichung von Null eines Ausgangssignals in einer Umgebung, in der die Temperaturschwankungen geringer sind als neben dem Drucksensor, minimieren sollen.