Timo Kober

Analyse des Übertragungsverhaltens von Differenzdrucksensoren durch dynamische DruckkalibrierungAnalyzing Frequency Response of Differential Pressure Sensors by Dynamic Pressure Calibration

Zusammenfassung Stand der Technik bei Differenzdrucksensoren für die Prozessmesstechnik ist ein Nennmessbereich von ΔpN=10 mbar bei einem statischen Nenndruck bis pStat=160 bar. Dabei wird eine Messunsicherheit ≤2×10-3 angestrebt. Drucksensoren für raue Umgebungsbedingungen, deren Verformungskörper aus Silizium besteht, benötigen metallische Trennmembranen zur Medientrennung. Zum Schutz des Meßelementes vor zu hoher statischer und dynamischer Druckbelastung werden spezielle mechanische Überlastschutzvorrichtungen verwendet. Um zuverlässige Überlastschutzsysteme zu entwickeln, wird deren Frequenzcharakteristik experimentell durch eine neuartige dynamische Druckquelle ermittelt.

Dynamische Netzwerksimulation eines überlastfesten Drucksensors mit verteilten Parametern

Zusammenfassung Ein ölgefüllter Drucksensor stellt ein mechanisch-akustisches System dar. Die Beschreibung des dynamischen Übertragungsverhaltens von mechanischen und akustischen Systemen erfolgt im Zeitbereich mit Hilfe von partiellen Differentialgleichungen. Im Frequenzbereich ist das vereinfacht durch Anwendung der Modellbildung der Netzwerktheorie möglich. Mithilfe der verteilten Netzwerktheorie können die dynamischen Eigenschaften eines solchen Drucksensors analysiert werden. Die Modellbildung wird anhand eines Beispiels eines neuartigen überlastfesten Differenzdrucksensors beschrieben.

Netzwerktheorie für mikro-akustische Systeme am Beispiel eines neuartigen überlastfesten Differenzdrucksensors

Am Institut fur Elektromechanische Konstruktionen wurde ein neuartiger uberlastfester Differenzdrucksensor entwickelt [1]. Der Nennmessbereich des Messelements betragt Δp = 10 mbar bei einem Uberlastdruck von pstat = 160 bar. Das Messelement weist eine Silizium-Messplatte und zwei strukturierte Gegenlager aus Glas auf (Bild 1). Bei Uberschreiten des Nenndrucks legt sich die Messplatte an das Gegenlager an und der statische Uberlastfall wird gesichert.

Kognitiver Lösungsansatz zur Reduzierung der Messunsicherheit für Prozessdrucksensoren

Zur Messbereichsanpassung wahlt das Messsystem das gunstigste Signal von drei piezoresistiven Drucksensorelementen aus. Eine Umschaltung zwischen verschiedenen Messbereichen wird durchgefuhrt, damit die hochste Messgenauigkeit in jedem Bereich gewahrleistet werden kann und die Messgenauigkeit des gesamten Messsystems erhoht wird. Basis fur die Entscheidung der Umschaltung ist ein neuartiger, kognitiver Signalverarbeitungsalgorithmus. Zur Arbeitsfrequenzanpassung wahlt das kognitive Messsystem die jeweils notwendige Abtastfrequenz zwischen 20 Hz, 100 Hz und 1 kHz. Fur hochdynamische Signale wird die Abtastfrequenz selbstandig erhoht, um Informationsverluste zu vermeiden. Fur tieffrequente quasistatische Signale wird die Abtastfrequenz verringert, damit der Datenumfang reduziert werden kann. Der kognitive Analyzer vergleicht das aktuell gemessene Signal mit einem Mustersignal aus einem „Signal-Gedachtnis“. Eine Vorhersage uber die Amplitude sowie die Signaldynamik kann abgeleitet werden, wenn ein zum aktuellen Signal passendes Mustersignal gefunden wird. Die Informationen im „Signal-Gedachtnis“, namlich die Signalform, Wahrscheinlichkeit sowie Reihenfolge, werden beim Messen kontinuierlich aktualisiert. Dabei werden die Algorithmen „Steigungsbetrachtung“ und „Clustering and Merging“ zur Mustererzeugung ver-wendet. Der Signalvergleich erfolgt durch Berechnung der Differenzenergie und mittels „Markov-Ketten“ als Suchverfahren. Zur Erzeugung verschiedener Druckverlaufe wird ein spezieller Messplatz aufgebaut. Das entwickelte kognitive Messsystem soll die Messgenauigkeit von Prozessdrucksensoren verbessern als auch eine Datenreduktion ermoglichen.