本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于測定壓力測量信號的方法以及根據(jù)權(quán)利要求12的前序部分所述的用于實施這種壓力測量方法的壓力測量裝置。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中已知并實施了各種壓力測量方法和壓力測量裝置。特別地，陶瓷電容式壓力測量單元在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，其相對于其他測量單元的特征在于，非常高的過載穩(wěn)定性等。

典型的陶瓷電容式壓力測量單元包括主體，在該主體前面經(jīng)由間隔件(例如，焊料玻璃)配置有測量膜。在測量膜和主體上均設(shè)有電極，它們在測量膜的壓力敏感區(qū)域中形成測量電容并在測量膜的壓力不太敏感區(qū)域中形成基準電容。當(dāng)壓力施加到測量膜的前面時，在測量膜和主體上形成的電極之間的距離改變，因而使得電容(特別是測量電容)改變，從而通過電容變化可以得出關(guān)于壓力變化程度的結(jié)論。在現(xiàn)有技術(shù)中通常使用下式來測定壓力測量信號d，以獲得作用在測量膜上的壓力。

d＝1–cr/cm

由于測定壓力測量值要考慮基準電容cr與測量電容cm的比值這一事實，所以可以考慮環(huán)境條件的波動，即，特別是溫度和濕度的變化，原因是它們對所形成的商不再具有任何影響。

由于基準電容cr的壓力敏感性通常顯著弱于測量電容cm的壓力敏感性這一事實，所以通過現(xiàn)有技術(shù)的估算，幾乎僅可以檢測到測量電容的改變，并且一旦測量膜在測量電容cm的區(qū)域中施加到主體上，那么根據(jù)上述公式測定的壓力測量信號d就變得飽和。

因此，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的這些陶瓷電容式壓力測量單元中，認為不利的是，經(jīng)由壓力測量單元的標稱范圍(即，技術(shù)測量允許的范圍)來測定壓力僅可以進行不充分的測定，并且特別地，超過允許的標稱壓力的值只能被不充分地檢測到。利用其中根據(jù)下式進行壓力測量信號的測定的常規(guī)估算方法，任何施加的壓力最多都只能被檢測到壓力測量單元的標稱壓力的大約兩倍。

d＝1–cr/cm

在超過該壓力的情況下，測量膜接觸壓力測量單元的主體，并且根據(jù)上述公式基于基準電容和測量電容之間的比值測定的輸出信號不再有任何顯著程度的變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是即使在顯著超出這種壓力測量單元的標稱范圍的情況下也允許進行測量檢測，并且允許更好地分析由過載引起的壓力測量單元的任何故障。

這個目的通過包括權(quán)利要求1的特征的方法以及包括權(quán)利要求12的特征的壓力測量裝置來實現(xiàn)。

根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于測定電容式壓力測量單元中的壓力測量信號的方法，所述壓力測量單元包括主體和配置在所述主體的前面的測量膜，其中電極配置在所述主體和所述測量膜上，所述各電極在所述測量膜的具有高的壓力敏感性的區(qū)域中形成測量電容并在所述測量膜的具有低的壓力敏感性的區(qū)域中形成基準電容，其中根據(jù)所述測量電容和所述基準電容的第一種估算，對所述測量電容和所述基準電容進行彼此獨立地檢測，并且在第一測量范圍內(nèi)測定所述壓力測量信號，以及根據(jù)所述基準電容的第二種估算在第二測量范圍內(nèi)測定所述壓力測量信號，其中，當(dāng)根據(jù)第一種估算的所述壓力測量信號超過極限值時，發(fā)生從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變。

因此，本方法的決定性因素在于：取決于根據(jù)第一種估算的壓力測量信號的值，發(fā)生從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變，從而根據(jù)第一種估算的由基準電容補償?shù)膲毫y量信號是轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)。一般而言，可以考慮依據(jù)基準電容的絕對值或測量電容的絕對值來發(fā)生第一種估算向第二種估算的轉(zhuǎn)變，然而，這里不利的是，改變環(huán)境條件(例如改變的溫度和/或濕度)很可能影響這些電容值，從而取決于環(huán)境影響，將在不同的條件下發(fā)生從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，通過基于補償值的轉(zhuǎn)變，以高精度的方式調(diào)整從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變，從而即使在所施加的壓力超出測量單元的允許測量范圍的情況下，也可以對所施加的壓力進行精確估算。

根據(jù)所述方法的一個實施方案，同時進行兩種估算，并且如果第一種估算的壓力測量信號超過所述極限值，那么丟棄第一種估算，如果第一種估算的壓力測量信號低于所述極限值，那么丟棄第二種估算。

由于同時進行兩種估算這一事實，所以取決于從已經(jīng)示出的環(huán)境條件的波動中釋放出來的第一種估算的結(jié)果，可以作出將第一種估算的結(jié)果還是第二種估算的結(jié)果作為壓力測量信號發(fā)出的決定。

極限值(當(dāng)超過該值時導(dǎo)致發(fā)生從第一種估算向第二種估算的轉(zhuǎn)變)有利地設(shè)定為所述壓力測量單元的標稱壓力或與其對應(yīng)的值的1～5倍，優(yōu)選2倍。在典型的陶瓷電容式壓力測量單元中，所謂的觸底(即，測量膜由于所施加的壓力而接觸主體)大約在壓力測量單元的兩倍標稱壓力時開始發(fā)生。因此，有利的是，大致在該值時提供從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變。然而，例如，取決于壓力測量單元的尺寸，在壓力測量單元的標稱壓力或者最多到標稱壓力的五倍時發(fā)生從第一種估算到第二種估算的轉(zhuǎn)變也可能是有益的。

對于極限值的選擇，起決定性因素的是時間點，根據(jù)第一種估算在該時間點時必須預(yù)期壓力測量信號的飽和或嚴重非線性。

在典型的測量方法中，對于第一種估算，根據(jù)下式計算所述壓力測量信號。

d1＝1–cr/cm

這里，以下確認是起決定性作用的：測量電容的值與所施加的壓力的值成比例，其中在該范圍內(nèi)基準電容有益地對所施加的壓力顯示出非常小的依賴性。

此外，當(dāng)在高于極限值的壓力下在第二測量范圍內(nèi)也發(fā)生測量補償時，這是有益的。特別地，這種測量補償應(yīng)該考慮諸如溫度和濕度等環(huán)境條件。

生成這種測量補償?shù)囊粋€選項是在從第一種估算轉(zhuǎn)變到第二種估算時測定并保存所述基準電容的當(dāng)前給定值。如此，這里，在第二種估算中，在給定時間相應(yīng)測定的基準電容的值可以用從第一種估算轉(zhuǎn)變到第二種估算時測定的基準電容的值進行標準化，從而允許至少對在所述時間點給出的環(huán)境條件進行補償。

另外或可選擇地，對于第二種估算，也可以僅考慮基準電容與所保存的值相比的變化。

在高于極限值時僅需要降低的精度或者其中預(yù)計環(huán)境條件的波動僅微小的實施方案中，制造商還可以預(yù)先確定當(dāng)?shù)谝环N估算轉(zhuǎn)變到第二種估算時的基準電容的值并可以將該值永久地保存在存儲單元中。在這種情況下，例如，可以保存對于傳感器的典型環(huán)境條件的基準電容的值。

如上所述，如此，可以用所保存的基準電容的值對根據(jù)第二種估算的基準電容的測量值進行補償，并且以這種方式可以降低環(huán)境條件的影響。特別地，可以根據(jù)下式進行第二種估算的計算，其中cr(p)表示基準電容的當(dāng)前給定值，cr(p＝x)表示當(dāng)從第一種估算轉(zhuǎn)變到第二種估算時的基準電容的值，x表示極限值，以及m表示常數(shù)。

d2＝m(cr(p)–cr(p＝x))+x

簡言之，如此，從轉(zhuǎn)變到第二種估算的時間點開始僅考慮與常數(shù)因子相乘的基準電容的變化，其中極限值和乘數(shù)由制造商預(yù)先確定。

當(dāng)根據(jù)第二種估算的最大值和/或從第一種估算轉(zhuǎn)變到第二種估算的次數(shù)保存在存儲單元中時，這可以是進一步有利的。如此，可以向后續(xù)估算提供最大壓力負載和/或過載循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的用于提供壓力測量信號的壓力測量裝置具有電容式壓力測量單元，所述電容式壓力測量單元包括主體和配置在所述主體的前面的測量膜，其中電極配置在所述主體和所述測量膜上，所述各電極在所述測量膜的具有高的壓力敏感性的區(qū)域中形成測量電容并在所述測量膜的具有低的壓力敏感性的區(qū)域中形成基準電容，其中，所述壓力測量裝置還包括構(gòu)造成適于實施根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的壓力測量方法的測量電子器件。

有利地，在所述測量膜和/或所述主體上配置有覆蓋所述電極的隔離件，其優(yōu)選構(gòu)造成玻璃涂層。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的許多壓力測量單元中，在壓力測量單元的測量膜和/或主體上未對通常構(gòu)造成金屬器件的電極提供保護，使得在由于電極接觸而引起觸底的情況下，在電極之間發(fā)生短路，從而不再可以進行電容的測定。

通過設(shè)置這種隔離件，可以進一步簡化壓力測量單元的制造，原因是如此所述測量膜或所述主體的電極可以以連續(xù)的方式構(gòu)造，優(yōu)選構(gòu)造成連續(xù)的金屬器件，并且另一個的電極可以以結(jié)構(gòu)化的方式構(gòu)造，優(yōu)選構(gòu)造成結(jié)構(gòu)化的金屬器件，以形成所述電容。

通常，在這種實施方案中，配置在測量膜上的電極和/或金屬器件構(gòu)造成連續(xù)的電極和/或金屬器件，原因是如此僅需要設(shè)置測量膜的一個電觸頭。為了構(gòu)造測量電極和參比電極，配置在主體上的金屬器件以結(jié)構(gòu)化的方式構(gòu)造，例如，其中所述參比電極以環(huán)形的方式包圍所述測量電極。

附圖說明

在下文中，參照附圖對本發(fā)明進行詳細說明。其中：

圖1示出了本發(fā)明中使用的陶瓷電容式壓力測量單元的示意性斷面，

圖2示出了根據(jù)第一種估算的壓力測量信號的示意性發(fā)展，

圖3示出了在不同環(huán)境條件下的基準電容的示意性發(fā)展，

圖4示出了標稱壓力為0.1bar的陶瓷電容式壓力測量單元中的測量電容以及基準電容的發(fā)展，和

圖5示出了在圖4的壓力測量單元中的根據(jù)第一種估算的壓力測量信號的發(fā)展。

具體實施方式

圖1示出了本發(fā)明中可以使用的陶瓷電容式壓力測量單元1的示意性斷面。壓力測量單元1基本上包括由陶瓷材料制成的主體3和配置在該主體的前面并經(jīng)由間隔件15(例如焊料玻璃)與其隔開的測量膜5。

用于產(chǎn)生測量電容cm以及基準電容cr的電極7,9,11形成在主體3和測量膜5上，彼此相對地定位并間隔開一定距離，其中居中配置的測量電極9和以環(huán)形方式包圍該測量電極的參比電極11通過結(jié)構(gòu)化的金屬器件的方式構(gòu)造在主體3上。在測量膜5上，由于連續(xù)的金屬器件，而構(gòu)成了與測量電極9和/或參比電極11配合以形成測量電容cm以及基準電容cr的膜電極7。

在本示例性實施方案中，電極7,9,11彼此隔離開并經(jīng)由例如以玻璃涂層形式實現(xiàn)的隔離件13來保護這些電極免受機械影響。這里，當(dāng)在當(dāng)前的壓力測量單元1中由于超壓而使測量膜5彎曲到與主體3接觸的程度時，隔離件13防止了電極7,9,11之間的任何接觸，從而防止它們之間的任何短路。如此，即使在超壓的情況下，也始終可以測定測量電容cm以及基準電容cr。

由于在過載期間的上述結(jié)果(即，測量膜5與主體3接觸)，所以典型的陶瓷電容式壓力測量單元1僅允許在某一測量范圍內(nèi)的測定，從而特別地僅允許進行特定標稱壓力pnom范圍以內(nèi)的壓力測量。盡管如此，這種壓力測量單元1有時也會受到顯著超過允許的標稱壓力pnom的壓力的作用。這里，可以通過通常使用的第一種估算a1測定所施加的壓力，其中根據(jù)下式測定第一壓力測量信號d1，測量范圍為壓力測量單元1的標稱壓力pnom的大約兩倍以內(nèi)。

d1＝1–cr/cm

在高于該兩倍的標稱壓力pnom的范圍內(nèi)，第一種估算a1通常顯示出以這種方式測定的第一壓力測量信號d1的非直線性和/或飽和行為，如圖2所示。圖2所示的測量曲線示出了根據(jù)第一種估算a1測定的第一壓力測量信號d1，其中所示出的是被標稱壓力pnom標準化的壓力。

圖3還示出了高于由標稱壓力pnom標準化的壓力的不同環(huán)境條件下的基準電容cr的值。特別地，由于濕度變化，所以在壓力測量單元1內(nèi)部產(chǎn)生的電介質(zhì)數(shù)量可能改變，從而導(dǎo)致基準電容cr的不同發(fā)展。例如，如果通過先前在所示出的測量曲線中顯示為極限值x的兩倍的標稱壓力pnom也以上述精確的方式發(fā)生可靠的壓力測定，那么需要對環(huán)境條件進行補償以測定基準電容cr的值。

圖4示出了標稱壓力pnom為0.1bar的陶瓷電容式壓力測量單元1在0～10bar范圍內(nèi)的基準電容cr和測量電容cm的值。從圖4中的測量曲線可以清楚地看出，測量電容cm的值是基準電容cr的值的倍數(shù)，然而，測量電容cm僅在測量單元1的標稱壓力pnom大約兩倍范圍以內(nèi)顯示出線性特性，而基準電容cr在明顯超過標稱壓力pnom時仍然具有很大地線性變化的。由于基準電容cr在過載范圍內(nèi)的這種線性變化，所以當(dāng)估算基準電容cr時，即使所施加的壓力超過壓力測量單元1的允許標稱壓力pnom一百倍(在目前情況下高達10bar)，也可以實現(xiàn)對所施加的壓力的測定。

圖5示出了根據(jù)第一種估算a1測定的第一壓力測量信號d1，從圖5的圖示可以清楚地看出，通過該第一種估算a1，第一壓力測量信號d1的線性變化僅可以在壓力測量單元1的標稱壓力pnom的大約兩倍范圍之內(nèi)出現(xiàn)。除此之外，通過第一種估算a1產(chǎn)生的第一壓力測量信號d1最初不再是線性的，然后變?yōu)轱柡汀?/p>

例如，可以根據(jù)下式來生成根據(jù)第二種估算a2測定的第二壓力測量信號d2。

d2＝m(cr(p)–cr(p＝x))+x

對于更高的精度要求，也可以用更高級的多項式來進行第二種估算a2，例如對所施加的壓力進行逼近，或者在精度要求更低的情況下，制造商也可以預(yù)先確定用于內(nèi)部校準的基準電容的值。

附圖標記列表

1壓力測量單元

3主體

5測量膜

7膜電極

9測量電極

11參比電極

13隔離件

15間隔件

17壓力補償開口

a1第一種估算

a2第二種估算

d1第一壓力測量信號

d2第二壓力測量信號

x極限值

cm測量電容

cr基準電容

d壓力測量信號

pnom標稱壓力