CN105829850A - 用于运行测压转换器的方法以及测压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行测压转换器的方法以及具有压力传感器(23)的测压转换器，该压力传感器具有柔软的测量膜(2)和基体(3)，在该测量膜和该基体之间包围有具有参考压力的腔体(20)。通过驱控和评估装置(25)，在测压模式下测定作为具有两个电极(21，22)的测量电容器的第一电容器的电容量，以及测定作为具有布置在边缘区域的电极(22，24)的参考电容器的第二电容器的电容量，并且依据测定的电容量来计算介质压力(P)的测量值。在诊断模式下测定并评估诊断电容器的电容量，该诊断电容器由测量电容器的电极(21)和参考电容器的布置在同一面上的电极(24)构成。这以有利的方式在很大程度上与相应的介质压力(P)并且与测量膜(2)的设定的曲线无关。借助诊断电容器能够检测腔体(20)中的相对空气湿度的变化和/或通过缝隙(32)进入的过程介质(33)。因此，警告信号能够在即将发生故障时及时地产生并且输出到维护设备。

Description

用于运行测压转换器的方法以及测压转换器

技术领域

本发明涉及一种用于运行具有压力传感器的测压转换器的方法，根据权利要求1的前序部分，该压力传感器在基体上具有能够依据介质压力偏移的测量膜，在该测量膜和该基体之间包围有具有参考压力的腔体，以及涉及一种用于给过程配备仪表的、根据权利要求8的前序部分所述的测压转换器。

背景技术

在过程技术设备中，为了控制过程而使用多种现场设备以便给过程配备仪表(Prozessinstrumentierung)。测量转换器用于检测过程变量，例如介质的温度、压力、流量、物位、密度或者气体浓度。通过执行机构能够依据检测的过程变量按照例如由控制站预设的策略来影响过程运行。本发明尤其在测压技术领域涉及带有测量单元的现场设备，该测量单元可以归类为所谓的“干”的测压单元。在这类测压单元中不存在油填料，其将过程介质的压力传输到例如具有硅膜的、小而敏感的压力传感器上。在干测压单元中，压力传感器相反地具有接触介质的膜，其能够依据要测量的介质压力而偏移。

由WO2013/004438A1公知了一种具有测量膜的偏移的电容式检测的干测压单元。测量单元的核心在该处构成陶瓷的压力传感器，该压力传感器具有柔软的测量膜和基体，在测量膜和基体之间包围有具有参考压力的腔体。测量膜的偏移因此取决于在介质侧作用在测量膜上的介质压力和腔体中的参考压力。为了电容式地检测测量膜的偏移而使用两个电容器，其中，第一电容器作为测量电容具有测量电极，该测量电极布置在基体的中间区域中的腔体的内壁处，并且其中，第二电容器作为参考电容具有参考电极，该参考电极位于基体的边缘区域中的腔体的内壁上。在测量膜的朝向腔体的侧上的金属涂覆构成了一个用于两个电容的共同的对应电极。其说明，参考电容器的电容量在无故障的情况下按照经验学来的函数取决于测量电容器的电容量。为了诊断故障，在测压转换器运行时监控，参考电容器的电容量和测量电容器的电容量的值对(Werteparre)在预设的容差范围内是否对应于学来的函数关系。如果不是这样，那么就推导出测量单元损坏。因此首先可以发现导致测量膜的曲线改变的损坏。可能的原因描述为，在测量膜和基体之间的接合位置处的固定连接失效，或者经由压力传感器的支座引入到测量膜中的径向的顶锻应力或者拉伸应力(Stauch-oderStreckspannung)。相反地，不能可靠地识别位于腔体中的介质的组成的变化。

在恶劣的过程条件下，例如在造纸工业中存在的那样，或者在食品工业领域中由清洁或消毒造成的温度突变时，可能导致尤其是膜上出现裂缝或破裂，测量介质通过其进入陶瓷压力传感器的腔体中。这能导致测压转换器的故障。测压转换器由于进入的过程介质而发生故障的情况例如可以通过确定在压力传感器的电容器电极之间的短路而识别。然而希望的是，尽可能早地提前识别出即将发生的故障，由此维护人员能够提早计划并且在合适的时间点采取相应的措施，例如及时地更换测压转换器，从而能够避免使用测压转换器的过程技术设备发生不可预料的停机。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种用于运行测压转换器的方法以及测压转换器，其实现了能够提前地、也就是在测压转换器发生故障之前识别出压力传感器的腔体的填充量的、尤其是通过进入的过程介质引起的变化。

为了实现该目的，开头所述类型的新方法具有在权利要求1的特征部分中描述的特征。在权利要求8中描述了一种用于执行该方法的测压转换器，在权利要求9中描述了一种计算机程序，并且在权利要求10中描述了一种计算机程序产品。在从属权利要求中说明了该方法的改进方案。

在用于运行测压转换器的这种新方法中，由此开辟了新的道路，即为了进行诊断而评估诊断电容器的电容量，该诊断电容器由测量电容器的和参考电容器的位于同一面上的电极构成。这种根据评估诊断电容器的电容量的新的诊断能够替换根据评估测量电容器的和/或参考电容器的电容量的诊断，或者以与其组合的方式进行实施。在此非常有利的是，诊断电容器的电容量在很大程度上与相应作用在测压转换器上的介质压力、并且与测量膜的设定的曲线无关。因为在诊断电容器的两个电极之间的至少一部分电场检测到压力传感器的腔体，所以其电容量在很大程度上受到位于腔体中的材料的介电导电性影响。对测压转换器的新的诊断因此允许根据评估诊断电容器的电容量来可靠地说明腔体的填充状态、尤其是说明存在于腔体中的相对空气湿度的变化和/或进入腔体中的过程介质，由此改变填充的介电导电性。在发生变化时可以推导出存在故障，尤其是推导出测量膜的裂缝或破裂，或者推导出在测量膜和基体之间的接合部位上的裂缝。此外，根据这种变化的时间梯度能够预测出，何时必须估计测压转换器的完全失效。

例如在使用模拟器件的AD7746型的已知的电容/数字转换器(CDC)时，通过切换到诊断模式实现了对诊断电容器的当前电容量的准确测定，在该诊断模式下，诊断电容器的两个电极连接到接头EXT或CIN2，并且共同的对应电极连接到接头GND。由此实现的是，在诊断电容器的电极和对应电极之间的、对应于测量电容器和参考电容器的电容量，在测量诊断电容器的电容量时在诊断模式下像屏蔽电容那样进行处理和补偿。此外有利的是，为了实现诊断电容器而不需要附加的电极。因此，本发明以有利的方式不提高用于测压转换器的硬件耗费。通过电容/数字转换器中的附加的测量范围切换，能够精确地测量出诊断电容器的相对小的电容量。在测压模式下，或者在测量测量电容器和参考电容器的电容量时，用于补充在本申请中不考虑的对测压转换器的诊断方式，可以以已知的方式连接电容/数字转换器。在测压模式下，诊断电容器的电容量可以被视为寄生电容或杂散电容，其由于相对小的量值而对测量结果几乎没有影响。

材料缝隙首先在机械应力高的区域内产生，其主要位于测量膜的边缘区域，以及测量膜和基体的接合部位处，其由于经常使用而称为玻璃焊料也称为玻璃料。因此，在主要通过测量电容器的电容量确定的测压结果严重失误之前，过程介质的进入首先导致诊断电容器的电容量发生变化。为了补偿位于腔体中的混合物的介电常数的缓慢变化对测压结果的影响，能够以有利的方式在为要测量的介质压力计算测量值时考虑诊断电容器的例如周期性测定的电容量。由此获得修正的替换值，从而实现了测压转换器的紧急运行。

除了已经提到的玻璃料通过隔离膜的微小裂缝或破裂而引起的损耗，能够出现另外的故障现象，尤其是在用于相对压力的干的测压单元中。在用于相对压力的压力传感器中，腔体取决于构造方式地与环境空气相连。也就是说，环境空气也能够到达电容器电极之间。通常使用经由烧结过滤器与环境耦联的、又长又细的软管作为用于相对压力传感器的背侧连接件。在软管中停留的空气对水分子具有高的扩散阻力。环境中的空气湿度的变化延迟地导致压力传感器的腔体中的相应的变化，并且只要不补偿该效果，就能够导致用于要测量的压力的、根据测量电容器和参考电容器的电容量而计算出的测量值发生变化。由于水蒸气的相对高的介电极性，所以例如空气湿度提高很少的5％就已经导致用于压力的测量值变化3％。在过程设备中进行清洁工作时，环境湿度可能跳跃地变化，这在没有进行合适校正的情况下又可能导致在压力测量时发生严重的错误。因为压力传感器中的腔体比较小，所以这种变化仅仅很缓慢地进行。此外可能出现不可逆转性，其通过水分子在腔体中的锐角棱边处的粘附或者存储而造成。诊断电容器对腔体中的相对空气湿度的反应速度和灵敏度因此可以有利地通过聚合物电介质、尤其是通过通布置在诊断电容器的电极之间的聚酰亚胺薄膜得以提高。该附加的电介质于是如下地布置，即使得诊断电容器的至少一部分电场位于该电介质中。聚酰亚胺薄膜在此具有的优点是，其从相对空气湿度中具有其介电导电性的迟滞少的特征曲线。

在特别有利的改进方案中，将诊断电容器的测定的电容量与预定的第一阈值进行比较，并且在超过第一阈值的情况下产生并且通过测压转换器输出警告信号，通过该警告信号将压力传感器的危急状态的出现显示为可能随后发生的功能故障的先前阶段。这以有利的方式实现了故障的预先识别，并且在发生失灵之前产生警告，该失灵在将测压转换器用在过程技术设备中时可能与不希望的设备停机关联。在另外的有利的改进方案中，诊断电容器的电容量可以附加地与预定的第二阈值进行比较，其中，在也超过第二阈值的情况下产生并输出报警信号，通过该报警信号显示在可见的未来即将发生的功能故障。这具有的优点是，给出了对于即将发生的失灵的可靠的指示。因此可以在高成本的设备停机之前及时地开始维护工作。

诊断可以有利地以如下方式改进，即依据良好运行状态中的诊断电容器的电容量，其例如在启动时测定或者预设为参量，依据进入腔体的介质的预设的介电导电性、两个阈值和超过这些阈值的时间点的间距，测定并且输出用于直到出现即将发生的功能故障的时间段的评估值。也就是根据该评估值能够有利地判断出，是否在下一个维护周期就已经需要进行修理。因此能够更好地计划维护措施。

优选地，用于显示可能必要的维护措施的警告信号直接输出到维护设备，以便服务技术人员在现场就已经得到用于执行维护工作的合适的指令。

该方法优选地以软件或以软件硬件的组合来实施，从而本发明也涉及一种具有能够通过计算机执行的程序代码指令的计算机程序，用于实施上面简述的和接下来说明的方法。在这种情况下，本发明也涉及一种计算机程序产品，尤其是数据载体或者存储介质，其具有能够通过计算机执行的这种计算机程序。这种计算机程序优选地是测压转换器的驱控和评估电子装置的组成部分，或者预留在电子装置的存储器中，或者可以加载到该存储器中，从而在测压转换器运行时根据该方法自动地执行其诊断。

附图说明

下面根据示出了本发明的实施例的附图更详尽地阐述本发明以及设计方案和优点。

其示出：

图1示出经常称为测量单元的测压转换器的部分的截面图，并且

图2示出具有压力传感器的原理图的测压转换器的框图。

具体实施方式

在两个附图中，相同的部件配有相同的参考标号。

基本上旋转对称的测量单元1的中心的构件是圆盘形的压力传感器23，其具有传感器膜2和基体3。在传感器膜2和基体3之间包围有腔体20，其构造之后根据图2详细阐述。在腔体20中存在参考压力，其在绝对压力测量转换器中例如对应于真空，在用于相对压力的测压转换器中例如对应于环境压力。借助压力传感器23电容式地检测测量膜2的相应的偏移，该偏移取决于施加的压力P和腔体20中存在的参考压力。为了将过程介质的压力P传输给测量膜2而使用过程接头4，其在示出的实施例中同时构成测压转换器的第一壳体部件，并且在凹槽5中支承弹性的密封环6，其在此实施为O形环。能够向上过渡到驱控和评估电子装置的未进一步示出的壳体中的第二壳体部件7利用止挡面8构成了用于压力传感器23的背侧的支撑环。对于压力传感器23的浮动的支承而言，在背侧的支撑环7和压力传感器23的背侧之间置入了空心圆柱体形的间隔环10，其能够在径向方向上偏移，并且因此在温度波动时减少了压力传感器23中的径向应力的出现。

为了安装测量单元1，首先将密封环6置入凹槽中，并且在该处由于燕尾形的凹槽形状而可靠地防止脱落。随后置入压力传感器23和间隔环10。为了产生对于支承压力传感器23所必要的轴向挤压力，随后安上并且对着第一壳体部件4挤压第二壳体部件7，其同时示出背侧的支撑环。在此密封环6以如下方式压紧，即保留在第一壳体部件4的包围密封环6的面和压力传感器23的朝向过程介质的侧之间的间隙12。两个压紧的旋转对称的壳体部件4和7围绕着其共同的轴线旋转，并且在其圆形碰撞点处通过径向焊接13相互焊接起来。

通常的压力传感器3具有大约32mm的直径。测量膜2的厚度根据测压范围在大约0.5mm和大约2mm之间。腔体20具有大约0.03mm的高度。在过载的情况下，测量膜2在中间区域中以该值变形，并且贴靠在基体3上。在碰撞形式的压力负载时，在大的材料应力区域内，尤其是在测量膜2和基体3之间的接合部位的区域内，能够出现不可逆的过载或损坏。如果过程介质由于扩散或者不密封而经过密封环6并且到达压力传感器23的周边区域，其就可以也进入腔体20，并且当例如在玻璃料中产生间隙形式的损坏时，测压转换器的测量结果因此出错。

根据以非精确比例的示图示出的压力传感器23的构造原理的附图2，接下来更详尽地阐述用于运行测压转换器的方法以及测压转换器本身。在本申请中称为测量电容器的第一电容器由也称为测量电极的第一电极21和对应电极22构成。称为参考电容器的第二电容器具有基本上环形地布置在边缘区域中的、也称为参考电极的电极24和相同的对应电极22。用于两个电容器的共同的对应电极22由测量膜2的朝向腔体20的侧上的金属化层构成。在没有示出的可替换的实施方式中当然也可行的是，代替共同的对应电极22，在测量膜2上设计对于每个电容器特殊的对应电极。

在测压模式下，测量电容器的和参考电容器的相应的电容量通过驱控和评估装置25进行检测，并且转换为压力P的测量值，该测量值经由端口26传输给在未进一步示出的过程技术设备中的上级的控制装置27。为了现场的显示，压力的测量值此外还可以经由例如是W-LAN的端口28输出到维护设备29，以便服务工作人员能够在直接靠近现场设备的设备中读取压力值，而不必给现场设备本身配置显示区。

在周期循环的时间间隔中，驱控和评估装置25切换到诊断模式，在诊断模式中，模拟器件的AD7746型的CDC的接线如下地进行改变，即测定并为了诊断测压转换器而评估诊断电容器的电容量，该诊断电容器通过位于腔体20内壁处的同一面上的测量电极21和参考电极24构成。在测量诊断电容器的相对小的、处于微微法拉等级的电容量时，测量电容器的以及参考电容器的大约大出100倍的电容量作为屏蔽电容通过CDC进行补偿。在诊断模式中，在相对压力传感器中例如由于相对空气湿度的变化，可以检测位于腔体20中的材料混合物的介电常数的已经较小的变化，并且补偿其对压力P的测量的影响。这例如可以根据先前靠经验测定的特征曲线来实现，这些特征曲线说明了测量电容器的和参考电容器的电容量与在腔体20中存在的相对空气湿度的关系。为了进行检查，还可以在维护设备29的显示器上输出在腔体20中测定的相对空气湿度的值，以便服务技术人员能够将其与他利用特别的传感器在周围环境中检测的、相对湿度的值进行比较。

为了提高诊断电容的敏感度，在腔体20中布置有圆环形的聚合物电介质30，其部分地覆盖布置在中间区域中的测量电极21和布置在边缘区域中的环形的参考电极24。聚酰亚胺薄膜有利地适合作为聚合物电介质30，其特征在其特征曲线中通过特别小的迟滞示出，该特征曲线说明了介电导电性与相对空气湿度的关联性。

与所示实施例不同，聚合物电介质可以布置在两个电极之间或者之下。对于简单的安装而言有利的是，聚合物电介质之后经过基体中的开口进入基体的用于容纳聚合物电介质而设置的凹部中，其中有利地，在基体已经使用高温通过熔化玻璃料而与测量膜相连以后再实现进入。

压力传感器23的在测量膜2上施加压力P时承受特别高的机械应力的区域是测量膜2的边缘区域、以及位于测量膜2和基体3的接合部位处的所谓的玻璃料31。通常用于制造玻璃料31的玻璃焊料在热负载和/或机械负载的情况下倾向于形成缝隙。例如通过缝隙32，先前经过密封件6(图1)的不密封部位的过程介质33可以进入腔体20中，并且在该处例如润湿对应电极22的一部分。进入的介质33的介电导电性在大部分情况下都高于在无故障的状态下存在于腔体20中的填充物的介电导电性。例如水具有80的相对介电常数，且油具有2到5之间的相对介电常数。在仅仅进入少量的过程介质33时，测压转换器仍然是可运行的。为了预先识别随着腔体20中的填充物的缓慢提高的介电常数而预告的故障，将诊断电容器的测定的电容量与优选地依据相应的过程介质而预定的第一阈值进行比较。在超过第一阈值的情况下，由驱动和评估装置25产生警告信号，并且经由端口26作为警告输出给上级的控制装置27，通过其将压力传感器23的危急状态的出现显示为可能随后发生的功能故障的先前阶段。警告可以附加地在维护设备29上显示，也就是在其失灵之前，用于告知服务技术人员关于测压转换器的危急状态。在测压转换器进一步运行时，施加的压力P的输出值通过驱控和评估装置25进行相应地修正，用于补偿位于腔体20中的材料混合物的变化的介电常数的影响。作为补充，诊断电容器的电容量还与优选地依据相应的过程介质而预定的第二阈值进行比较，在超过第二阈值时通过报警信号显示即将发生的功能故障。例如通过在维护设备29上输出报警信号，能够在出现高成本的设备停机之前开始及时的维护工作。优选如下地选择第二阈值，即例如在缝隙32大小恒定时还可以在可见的时间段内至少维持测压转换器的受限制的功能。

依据进入的过程介质33的介电导电性可以评估出，在什么时间点腔体20的具有过程介质33的之前的填料不再能够测量压力P了。依据在良好运行状态下的诊断电容器的电容量的预设值、进入腔体20中的过程介质33的已知的介电导电性、两个预设的阈值和超过这些阈值的时间点的间距，可以测定并且输出用于直到预料出现功能故障的剩余的时间段的评估值。通过了解测压转换器要提供的剩余运行时间，例如可以决定，是否在下一个维护周期就已经必须更换测压转换器，还是在再下一个维护周期必须更换。因此能够更好地计划维护措施。如果在维护设备29上实现了输出用于显示当前必要的维护措施的警告信号，那么服务技术人员就能够有利地在现场获得关于计划他的维护措施所必要的信息。

Claims (10)

1.一种用于运行具有压力传感器(23)的测压转换器的方法，

其中，所述压力传感器(23)具有柔软的测量膜(2)和基体(3)，在所述测量膜和所述基体之间包围有具有参考压力的腔体(20)，

其中，所述测量膜(2)的偏移取决于介质压力(P)和所述参考压力，所述介质压力在介质侧作用在所述测量膜(2)上，其中，为了检测所述测量膜(2)的所述偏移而设置有至少一个第一电容器，所述第一电容器具有两个带有依据所述偏移而变化的电极间距的、布置在所述测量膜(2)的或所述基体(3)的中间区域中的电极(21，22)，并且

其中，设置有至少一个第二电容器，所述第二电容器具有两个布置在所述测量膜(2)的或所述基体(3)的边缘区域中的电极(22，24)，其特征在于，

测定并且为了诊断所述测压转换器而评估诊断电容器的电容量，所述诊断电容器由所述第一电容器的电极(21)和所述第二电容器的布置在同一面上的电极(24)构成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了补偿位于所述腔体(20)中的介质的介电常数的影响，在计算用于所述介质压力(P)的测量值时考虑所述诊断电容器的测定的电容量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了提高湿度灵敏性，在所述诊断电容器的电极(21，24)之间布置有聚合物电介质(30)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述诊断电容器的测定的电容量与预定的第一阈值进行比较，并且在超过所述第一阈值的情况下产生并输出警告信号，通过所述警告信号将所述压力传感器(23)的危急状态的出现显示为可能随后发生的功能故障的先前阶段。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在超过所述第一阈值的情况下，所述诊断电容器的电容量还与预定的第二阈值进行比较，并且在也超过所述第二阈值的情况下产生并输出报警信号，通过所述报警信号显示即将发生的功能故障。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，依据在良好运行状态中的所述诊断电容器的电容量的预设值、进入所述腔体(20)中的介质(33)的预设的介电导电性、两个所述阈值和超过所述阈值的时间点的间距，测定并且输出用于直到出现功能故障的时间段的评估值。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，将用于显示可能必要的维护措施的所述警告信号输出到维护设备(29)。

8.一种具有压力传感器(23)的测压转换器，其中，所述压力传感器具有柔软的测量膜(2)和基体(3)，在所述测量膜和所述基体之间包围有具有参考压力的腔体(20)，

其中，所述测量膜(2)的偏移取决于介质压力(P)和所述参考压力，所述介质压力在介质侧作用在所述测量膜(2)上，

其中，为了检测所述测量膜(2)的所述偏移而设置有至少一个第一电容器，所述第一电容器具有两个带有依据所述偏移而变化的电极间距的、布置在所述测量膜(2)的或所述基体(3)的中间区域中的电极(21，22)，

其中，设置有至少一个第二电容器，所述第二电容器具有两个布置在所述测量膜(2)的或所述基体(3)的边缘区域中的电极(22，24)，并且

为了检测至少所述第一电容器的电容量，以及为了依据所述检测的电容量来确定并输出用于所述介质压力(P)的测量值，具有驱控和评估装置(25)，其特征在于，

所述驱控和评估装置(25)还设计用于，测定并且为了诊断所述测压转换器而评估诊断电容器的电容量，所述诊断电容器由所述第一电容器的电极(21)和所述第二电容器的布置在同一面上的电极(24)构成。

9.一种计算机程序，所述计算机程序具有能够通过计算机执行的程序代码指令，用于当所述计算机程序在计算机中实施时执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。

10.一种计算机程序产品，尤其是数据载体或者存储介质，所述计算机程序产品具有能够通过计算机执行的、根据权利要求9所述的计算机程序。