CN100565153C - 用于识别隔膜故障的具有压电元件的压力测量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力测量转换器，其具有测量室，并通过隔膜与待测量的介质分开。在该充有硅油的测量室上设置有压电元件，通过该压电元件可有目的地改变测量室的体积。将由此出现的测量信号曲线(23)与参考曲线进行比较，当有明显偏差时推断出存在薄膜故障。由此可以在隔膜(7)内装于压力测量转换器中的状态下来监控隔膜(7)的状态。

Description

用于识别隔膜故障的具有压电元件的压力测量转换器

技术领域

本发明涉及一种压力测量转换器，其具有安装在一个外壳内的压力传感器，用于将待测量的压力转换为测量信号。

背景技术

在DE 3705901 C2中公开了一种这样的压力测量转换器，利用其可以测量过程介质的绝对压力或压力差。其中公开了具有外壳的压力测量单元，在外壳中设置了将外壳内的空间划分为测量室和参考室的测量薄膜。测量室和参考室分别设置有压力通道，这些压力通道在采用压力测量单元时在一个差分压力测量转换器中分别通向一个将测量室或参考室与测量介质分开的隔膜，在该测量介质上测量不同测量点之间的压力差。两个室充有压力传导液体，如硅油。为了产生随所施加的压力差而改变的电测量信号，可在测量薄膜上设置例如由硅制成并具有抗拉强度的压力传感器。通过对测量信号进行分析的装置可以从电测量信号中产生测量值并输出。而在参考室中则在测量薄膜对面设置与电接头一起用于控制的压电元件。压电元件用于在激励时调制参考室的压力传导液体中的流体静力压力。为了提高参考室中的流体静力压力，采用快速调制过程。这样，通过与压力通道连接的隔膜的压力平衡就可以忽略。压力的改变将通过压力传导液体传送到测量薄膜。在压力调制的振幅已知时，可以由测量信号的相应调制振幅直接得出压力测量单元的灵敏度。因此，压力测量单元可以自动监测运行中尤其是测量薄膜的功能错误而无需中断测量过程。但公知的压力测量转换器的缺点在于不能识别隔膜上的变化或损伤。

在过程技术设备中采用压力测量转换器时可能出现下述情况，即隔膜被测量介质化学侵蚀或被机械损坏。当在薄膜中出现孔洞时，测量介质进入测量室或参考室，并到达对测量介质反应灵敏的压力传感器。在完全失效之前，可能在过渡期间产生用户注意不到的错误的测量值。这可能会在过程技术设备中带来严重后果。此外还可能由于测量介质沉积在隔膜上而阻碍将压力传导到传感器。由此产生了用户很难确定的错误测量。只有通过需要事先卸下压力测量转换器的光学检查才能识别这样的故障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种压力测量转换器，其不需卸下压力测量转换器就可监测隔膜的状态。

为了解决本发明的技术问题，提出了一种本文开始所述类型的新型压力测量转换器，其具有安装在外壳内的压力传感器，用于将待测量的压力转换为电测量信号；测量室，其通过隔膜与待测量的介质分开，并为了将压力传导到压力传感器而充有压力传导液体，以及用于对测量信号进行分析的装置。其中，该测量室具有用于使测量室的体积相应于基本上事先确定的时间变化曲线改变的、具有由该分析装置控制的压电元件的装置；该分析装置用于将测量信号的作为对体积变化的响应而出现的变化曲线的至少一个特征值与参考曲线的相应特征值进行比较，并根据两个特征值之间的偏差输出显示薄膜故障的信号。

本发明的优点在于，可以获得关于隔膜状态的可靠判断，而无需例如先将压力测量转换器从导管中卸除。由此诊断可以几乎是在压力测量转换器运行期间进行。此外还可以识别隔膜的老化过程并可在压力测量转换器失效之前以及压力测量转换器在其中运行的过程技术设备可能停运之前及时作出反应。另一个优点是，通过按照本发明的压力测量转换器提供的测量值更可靠，因为隔膜的变化，如可能导致测量值错误的沉积或由于腐蚀或磨损的材料侵蚀，在新型的压力测量转换器中都可以通过诊断自动识别并报告。此外，该新型压力测量转换器还具有这样的优点，不需要迄今为止对某些测量介质所要求的光学检查，并由此可以小得多的开销来监测隔膜的状态。

将在测量室开始基本上跳跃性的体积变化之后的预定等待时间内产生的测量信号值作为出现的测量信号曲线的特征值与参考曲线的相应特征值相比较，并在参考曲线的相应特征值低于预先给定的度量时输出表示隔膜上有孔的信号，这样可以尤其可靠地对隔膜中的孔洞进行诊断。在此所利用的原理是由于隔膜上的漏洞而由体积改变引起的压力改变在一定的等待时间之后消失。

为了可靠地诊断隔膜上的沉积，优选将测量信号最大值作为在明显跳跃的体积变化之后出现的测量信号的曲线的特征值与参考曲线的相应特征值进行比较，并当参考曲线的相应特征值超过预先给定的度量时输出表示隔膜上有沉积的信号。以类似的方式还可以优选地诊断隔膜的材料侵蚀，其中，监测参考曲线的相应特征值是否低于预先给定的度量。

在优选方式中，通过分析装置根据按时间间隔(如周期性)进行的诊断过程中出现的测量信号曲线的特征值的时间变化确定并输出趋势报告，监控人员利用该报告可以估计何时会发生失效，由此还可以在失效之前对压力测量转换器进行预防性监控。

设置了可由分析装置控制的用于改变测量室体积的压电元件，其优点在于，体积改变所需的功率较小，该装置的实现开销很小。

当采用基于微处理器的分析单元时，监测隔膜所需的分析单元的功能同样可以通过计算单元的适当的运行程序没有很大开销地实现。这样，新的诊断方法有利地对压力测量转换器的制造费用几乎不产生影响。

附图说明

以下借助附图所示实施例对本发明的实施及其优点进行描述。图中示出：

图1示出用于绝对压力的压力测量转换器的原理图；

图2定性示出信号变化的时序图。

具体实施方式

图1示出压力测量转换器的电路框图。压力测量转换器具有带有外壳2的基本上旋转对称的原理测量单元1，在外壳2中设置有压力传感器3，用于将待测量的压力转换为电测量信号4。压力传感器3位于测量室5和用于引入参考压力的通道6之间。测量室5中充有作为压力传导液体的硅油。空气被以当前环境压力通过通道6引向压力传感器3。由此在所示出的实施方式中测量信号4再现出与环境压力相关的绝对压力。为了保护传感器，压力传导液体在测量室内通过隔膜7与以待测量的压力通过一个通道引入压力测量单元1的过程介质8分开。压力传感器3通过隔膜7的保护而免受腐蚀介质的侵害。螺栓9用于简化压力测量单元1在过程技术设备的导管中的安装，为概览起见图中未示出过程技术设备。测量信号4输入微处理器10，微处理器10对测量信号4进行分析以产生测量值，测量值被输出到显示器11上，并为了进一步处理而通过现场总线12传输到过程技术设备的控制台(为概览起见未示出)。为了进行测量以及通信，在微处理器10中设置了适当的运行程序。用户可以通过键盘13输入，通过显示器11为用户输出。为了诊断隔膜7，微处理器10这样控制压电元件14，使得测量室5的体积相应于基本上预先确定的时间变化而变化，该压电元件14设置于压力测量单元1的测量室5上并通过薄膜17与测量室5分开。在物理意义上通过压电元件14改变的不是测量室5的体积的大小，而仅是移动了测量室5中的体积，从而使得隔膜7通过体积移动而改变位置。因此在压力测量单元中的压力传导液体发生位置改变。存储器15存储在隔膜7完整的情况下作为对体积改变的反应而产生的测量信号4的变化。该变化在传感器首次在过程技术设备中运行时被记录下来。在存储器16中存储在测量转换器的较后的运行中作为对体积改变的反应而产生的、用于进行诊断的测量信号4的变化。微处理器10由在存储器15和16中存储的变化确定出相互对应的特征值，将它们进行比较，并从比较结果中导出各种关于隔膜7的状态的判断。在存在故障的情况下，在显示器11上进行显示，或通过现场总线12输出用于显示故障的信号，由此可以由维护或监控人员采取适当的措施来处理故障。由此，微处理器10、存储器15和存储器16构成用于分析测量信号4的装置19的组成部分。

除所描述的实施方式外，当然还可以在存储器15和/或存储器16中取代完整的测量信号变化曲线而只存储确定用于诊断的特征值。

尽管在此对本发明借助对绝对压力的压力测量单元进行了描述，但本发明还可以类似的方式用于差分压力的测量单元。

以下借助图2所示的信号变化详细描述诊断的功能原理。在图2所示的图中定性地示出信号变化，其中横轴表示时间t，纵坐标表示各信号振幅V或U。由于隔膜7(图1)的状态仅是缓慢改变的，因此周期性地进行诊断就足够了。为了产生测量室5(图1)的相应于所示出的曲线20的体积改变，利用方波来控制压电元件14(图1)，该方波在时刻t0开始，在时刻t1结束。作为对体积改变的反应，产生在完整隔膜7(图1)情况下的测量信号4(图1)的曲线21。测量信号在时刻t0开始从其起始值S0出发并逐渐接近新的终止值S1。对此的原因在于隔膜7(图1)下的体积改变，以及与此相关的隔膜位置的改变。该位置移动由于隔膜7的弹性而导致测量室5中的压力改变并由此造成测量信号4的相应改变。本发明基于这样的认知，即当在隔膜中出现泄漏位置时、在隔膜上有沉积物时和/或当隔膜的厚度由于腐蚀或与测量介质的化学反应而变薄时，在测量室体积改变时隔膜的特性会发生变化。曲线21作为参考曲线用于与以后的测量信号进行比较，这些测量信号是在体积变化时以基本相同的时间曲线20记录的。当过后在运行中记录的测量信号曲线与参考曲线21的偏差很大时，则表示有故障的薄膜状态。

在隔膜中有孔洞时，作为对跳跃形式的体积变化的反应产生测量信号的曲线22。在时刻t0后不久曲线22尚与参考曲线21相同，但测量信号又提前回到起始值S0，因为通过薄膜中的泄漏压力传导液体可以流向过程介质，并由此产生压力平衡。当在时刻t0后经过预定等待时间的一个过后时刻(在所示出的实施例中为时刻t2)确定出所产生的测量信号曲线22的值S2，并将其与在相应时刻记录的参考曲线21的值S1相比较，当值S2的偏差超过预先给定的度量时(本例中为超过值S1和S0之间距离的25％)则识别为泄漏并发出提示，由此可以可靠地检测出隔膜中的泄漏。如果曲线22的值S2明显低于这样计算出的阈值S3时，则可以肯定地识别出薄膜中的泄漏。

在隔膜7(图1)上有沉积物时其弹性会降低。由此，如在图2中通过曲线23定性示出的，测量室5的体积改变将比在参考测量时引起更强烈的压力改变以及测量信号4(图1)的相应的更强烈的改变。为了确定这样的隔膜故障，优选将曲线23的最大值S5作为曲线23特征值与作为参考特征值的曲线21的最大值S1相比较，当该两个值相互的偏差大于值S1和S0之间距离的1/4时、即当最大值S5超过阈值S4时，识别为故障并提示。

另一方面，隔膜的弹性在材料侵蚀时会增加，如由于腐蚀或化学反应，此时隔膜会更易跟随测量室的体积变化。图2中定性地示出当薄膜壁强度由于材料侵蚀已大大降低时对测量薄膜产生的曲线24。与检测隔膜上的沉积类似，对材料侵蚀也可以通过简单地比较曲线24的最大值S6和阈值S3，当两者的偏差、低于曲线21的最大值S1预先给定的度量(在此为值S1和S0之差的1/4)时，识别为不可忽略的强材料侵蚀并作为故障提示。

由于隔膜上的这样的改变是在较长的时间范围内产生的，因此在周期性地实施所述诊断时可以简单的方式借助特征值(如所产生的测量信号曲线的最大值)的时间变化导出趋势判断并输出。例如，趋势报告可以给出到哪一时刻沉积会超过尚可运行的度量。由此可以对压力测量转换器进行预防性的维护，并且可以避免发生不期望的故障以及排除故障所需的额外费用。

相应于图2中曲线20的体积变化被证明是尤其具有优点的。当然还可以借助其它变化来进行诊断，还可以对所产生的测量信号的曲线的不同于所示实施例的特征值进行分析以进行故障识别。

Claims (5)

1.一种压力测量转换器，具有

-安装在一个外壳(2)内的压力传感器(3)，用于将待测量的压力转换为电测量信号(4)，

-测量室(5)，其通过隔膜(7)与待测量的介质(8)分开，并为了将压力传导到压力传感器(3)而充有压力传导液体，以及

-用于对测量信号进行分析的装置(19)，

其特征在于，

-该测量室(5)具有用于使测量室(5)的体积相应于基本上事先确定的时间变化曲线(20)移动的装置(14)，该装置(14)具有由该分析装置(19)控制的压电元件，

-该分析装置(19)用于将测量信号(4)的作为对体积变化的响应而出现的变化曲线(23)的至少一个特征值(S5)与参考曲线(21)的相应特征值(S1)进行比较，并根据两个特征值之间的偏差输出显示薄膜故障的信号。

2.根据权利要求1所述的压力测量转换器，其特征在于，当在开始明显跳跃的体积变化之后的预定等待时间内出现的测量信号(4)的值(S2)作为出现的测量信号(4)的曲线(22)的特征值比参考曲线(21)的相应特征值(S1)低预先给定的度量时，所述分析装置(19)输出表示隔膜(7)泄漏的信号。

3.根据权利要求1所述的压力测量转换器，其特征在于，当测量信号的最大值(S5)作为在明显跳跃的体积变化之后出现的测量信号的曲线(23)的特征值比参考曲线(21)的相应特征值(S1)大预先给定的度量时，所述分析装置(19)输出表示在所述隔膜(7)上有沉积的信号。

4.根据权利要求1所述的压力测量转换器，其特征在于，当测量信号的最大值(S6)作为在明显跳跃的体积变化之后出现的测量信号的曲线(24)的特征值比参考曲线(21)的相应特征值(S1)低预先给定的度量时，所述分析装置(19)输出表示隔膜(7)上材料侵蚀的信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的压力测量转换器，其特征在于，所述分析装置(19)根据按时间间隔进行的诊断过程中出现的测量信号曲线的特征值的时间变化输出趋势报告。

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