DE102004019222A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerks - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerks in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer, wobei ein im Druckmesswerk (1) eingebautes drucksensitives Element (4) über mindestens eine Membran (3a, 3b) mit mindestens einem Druck (p1, p2) beaufschlagt wird. Während eines definierten Diagnose-Zeitintervalls (T2) wird ein im Druckmesswerk (1) integriertes Prüfelement (6) vorzugsweise durch elektrische Ansteuerung zu einer Volumenänderung angeregt. Der hierdurch verursachte Druckunterschied im Druckmesswerk (1) wird durch ein drucksensitives Element (4) registriert. Die während eines Diagnose-Zeitintervalls (T2) registrierte Kurve (8) wird mit einer bei intaktem Druckmesswerk (1) aufgenommenen Referenzkurve (7) verglichen. Es erfolgt eine Störungsmeldung, wenn die Abweichungen zwischen registrierter Kurve (8) und Referenzkurve (7) vorgegebene Toleranzwerte überschreiten.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerks in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerks in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
- Druckaufnehmer werden in vielen Prozessen der Industrie und in unterschiedlicher Ausbildung als Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer genutzt, beispielsweise bei der Wirkdruckmessung oder bei der Messung von Pegelunterschieden in Tanks. Ein Problem besteht nun darin, dass nur bei einem seit der letzten Kalibrierung unverändertem Druckmesswerk des Druckaufnehmers ein zuverlässiger Messwert gebildet werden kann, während bei einer Schädigung des Druckmesswerks (z.B. Verletzung (Riss) einer oder mehrerer Trennmembranen, Verformungen des Druckmesswerks, Korrosion mit sich dadurch ändernder mechanischer Eigenschaften der Trennmembrane, Änderungen der Ölbefüllung, Bildung von Gasblasen in der Ölbefüllung) der gebildete Messwert fehlerbehaftet ist. Zur Überprüfung der Vertrauenswürdigkeit der angezeigten Messwerte ist es deshalb vielfach üblich, redundante Druckaufnehmer vorzusehen.
- Allgemein hat jedoch die Benutzung eines weiteren Druckaufnehmers zur Überprüfung des eigentlichen Sensors bzw. Druckmesswerks den Nachteil, dass man einem weiteren Messwert eines weiteren (anderen) Messelementes vertrauen muss. Ferner steigt der apparative Aufwand stark an, wenn weitere Sensoren integriert werden müssen, da auch diese ausgewertet werden müssen. Je nach Ausführung ist der Aufwand erheblich, insbesondere wenn beim weiteren Messelement ein unterschiedliches Messverfahren angewandt werden muss.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zur Detektion von Änderungen der Druckmesswerkeigenschaften anzugeben, die zu einer Verfälschung der Messwerte führen.
- Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Detektion von Änderungen der Druckmesswerkeigenschaften anzugeben, die zu einer Verfälschung der Messwerte führen.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
- Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 3 angegebenen Merkmale gelöst.
- Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass beim vorgeschlagenen Druckmesswerk mit integriertem Prüfelement quasi eine Sensorselbstdiagnose erfolgt. Es ist kein weiterer Sensor inklusive aufwendiger Auswerteeinrichtung erforderlich, sondern es wird mit Hilfe des vorhandenen Systems eine zuverlässige Aussage darüber getroffen, ob sich die Eigenschaften des Druckmesswerks in unzulässiger Weise geändert haben.
- Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Differenzdruckaufnehmers mit integriertem Prüfelement, -
2 eine Zeitreihe der Sensorantwort auf mechanische Last bei Membranriss, -
3 eine Schaltungsanordnung zur Sensorselbstdiagnose. - In
1 ist eine schematische Darstellung eines Differenzdruckaufnehmers mit integriertem Prüfelement dargestellt. Es ist eine Messzelle bzw. Druckmesswerk1 zu erkennen, welche über eine erste Membran3a respektive über eine zweite Membran3b mit einem ersten Druck p1 respektive mit einem (hierzu gegebenenfalls unterschiedlichen) zweiten Druck p2 beaufschlagbar ist, wobei die beiden Drücke p1, p2 gleichzeitig auf die Membranen3a ,3b einwirken. Die über die Membranen3a respektive3b detektierten Drücke werden gleichzeitig über einen ersten flüssigkeitsgefüllten Kanal2a respektive einen zweiten flüssigkeitsgefüllten Kanal2b in eine gemeinsame, ebenfalls flüssigkeitsgefüllte Kammer5 geleitet. Üblicherweise wird in den Kanälen2a ,2b und in der Kammer5 Öl als Flüssigkeit eingesetzt. In der flüssigkeitsgefüllten Kammer5 befindet sich ein drucksensitives Element4 , zumeist aus einem piezoresistiven Material oder alternativ aus einer Messzelle bestehend, deren Kapazität oder Induktivität sich mit änderndem Druck ändert. Da die beiden Drücke p1 und p2 gleichzeitig auf das drucksensitive Element4 einwirken, wird vom drucksensitiven Element4 (Messsensor) lediglich die Druckdifferenz zwischen beiden Drücken p1, p2 registriert. - Bei Auftreten eines Defektes am Druckmesswerk
1 (beispielsweise Riss einer der Membranen3 ,3b ) ändert sich bei der Detektion der Druckdifferenz – zumindest im ersten Augenblick – nichts, da sich lediglich das vermittelnde Medium der hydrostatischen Kraft verändert hat, d. h. eine Flüssigkeit (im Kanal2a oder2b und eventuell in der Kammer5 ) ist gegen ein Gas (Luft) oder eine andere Flüssigkeit ausgetauscht worden. Zusätzlich ändern sich die mechanischen Eigenschaften der Trennmembran, insbesondere die Rückstellkraft. Die Veränderung infolge eines Defekts äußert sich dadurch einerseit in einer veränderten Zeitantwort des Systems durch geänderte Kompressibilität der Füllung. Andererseits ändert sich auch die Antwort der Messzelle auf eine definierte Volumenänderung des Druckmesswerk-Innenraums (ausgelöst durch ein Prüfelement). Die Größe des durch eine Volumenänderung eines Prüfelements verursachten Differenzdruck-Unterschieds unterscheidet sich signifikant von der eines unbeschädigten Druckmesswerks. - Wesentlich für die Erfindung ist deshalb die Integration eines Prüfelementes
6 in der Messzelle bzw. im Druckmesswerk1 bzw. in der flüssigkeitsgefüllten Kammer5 . Das Prüfelement6 ist vorzugsweise piezoelektrisch und kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung zu Volumenänderungen angeregt werden. Die durch das Ausdehnen bedingte Volumenvergrößerung in der flüssigkeitsgefüllten Kammer5 äußert sich als Druckanstieg in der Messzelle1 , was durch das drucksensitive Element4 registriert wird. - Liegt nun eine Schädigung des Druckmesswerks
1 vor, so ändert sich die mechanische Last an dem drucksensitiven Element4 . Beispielsweise wird eine Verletzung einer Membran sich im allgemeinen in einer verringerten mechanischen Last am drucksensitiven Element4 äußern. Mit anderen Worten ist die vom Prüfelement6 bei einer bestimmten Volumenvergrößerung verursachte Druckänderung am drucksensitiven Element4 bei intakter Membrane größer als bei verletzter Membrane. Die Ursache liegt darin, dass eine intakte Membran eine definierte mechanische Spannung aufweist, welche Einfluss auf die Messung des Differenzdruckes hat. Bei Verletzung der Membran entfällt diese definierte mechanische Spannung. Zusätzlich kann das vom Prüfelement verdrängte Flüssigkeitsvolumen aus dem Druckmesswerk1 ausströmen, so dass nach Abklingen dieses Austauschvorgangs der vom drucksensitiven Element4 detektierte Druck wieder auf das Niveau vor der Volumenänderung zurückgeht. - In
2 ist eine Zeitreihe der Sensorantwort auf die mechanische Last bei Membranriss dargestellt. Mit Bezugszeichen7 ist eine mit dem drucksensitiven Element4 aufge nommene "Referenzkurve" bei intakten Membranen3a ,3b , komplett flüssigkeitsgefüllter Kammer5 und komplett flüssigkeitsgefüllten Kanälen2a ,2b dargestellt, während mit Bezugszeichen8 eine mit dem drucksensitiven Element4 aufgenommene "detektierte Kurve" bei defekter Membran und/oder mangelhafter Flüssigkeitsfüllung der Kanäle2a ,2b und/oder der Kammer5 gezeigt ist. Die Zeit t ist auf der horizontalen Achse eingetragen, während die vertikale Achse Spannungswerte und/oder Stromwerte und/oder Lastwerte angibt. Es ist eine signifikante Phasenverschiebung (inklusive der erkennbar signifikant unterschiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten) zwischen beiden Kurven7 und8 zu erkennen. Überschreitet diese Phasenverschiebung zwischen Referenzkurve7 und detektierter Kurve8 einen vorgegebenen Toleranzwert, so ist ein Membranriss und/oder Flüssigkeitsverlust in Kanal2a und/oder Kanal2b und/oder flüssigkeitsgefüllter Kammer5 detektiert. - Der tatsächliche Wert (Amplitude) des aktuell anliegenden Drucks p1 oder p2 ist dabei unerheblich, da für die Sensorselbstdiagnose vor allem die auftretende Phasenverschiebung und die Druckänderung vor und nach der Ansteuerung des Prüfelements
6 zwischen den Kurven7 ,8 interessant ist. - Wie vorstehend bereits erwähnt, wird in gleicher Weise wie ein Membranriss durch die Sensorselbstdiagnose eine Leckage bei den Kanälen
2a und/oder2b und/oder der flüssigkeitsgefüllten Kammer5 festgestellt, da ein Flüssigkeitsverlust (Ölverlust) mit einem Austausch von Öl gegen Luft oder einem anderen Gas der Umgebung einhergeht. Die unterschiedliche Kompressibilität zwischen der Flüssigkeit (Öl) und dem Gas oder einer anderen Flüssigkeit bewirkt wiederum eine bei der Sensorselbstdiagnose auftretende signifikante Phasenverschiebung zwischen Referenzkurve7 und detektierter Kurve8 . - Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die detektierte Kurve
8 beim Ausströmen von Flüssigkeitsvolumen aus dem Druckmesswerk1 wieder auf das Niveau vor der Volumenänderung zurückgehen, was durch einen gestrichelten Kurvenzug angedeutet ist. - In
3 ist eine Schaltungsanordnung zur Selbstdiagnose dargestellt. Wie zu erkennen ist, ist das hier beispielhaft als piezoelektrisches Element ausgebildete Prüfelement6 mit einer Energieeinspeiseeinrichtung9 zur Spannungs-/Stromversorgung verbunden. - Das drucksensitive Element
4 ist an eine Auswerteeinrichtung10 angeschlossen. Eine Diagnosesteuerung/-auswertung11 (mit Vergleicher und Speicher zur Abspeicherung der Referenzkurve7 ) dient zur Ansteuerung der Energieeinspeiseeinrichtung9 und der Auswerteeinrichtung10 . - In fest vorgegebenen Zeitabständen T1 steuert die Diagnosesteuerung
11 die Energieeinspeiseeinrichtung9 an, so dass während eines fest vorgegebenen Diagnose-Zeitintervalls T2 eine Beaufschlagung des Prüfelements6 mit elektrischer Energie erfolgt. Dies bewirkt die vorstehend erwähnte Volumenausdehnung des Prüfements6 . Die Auswerteeinrichtung10 erfasst den vom drucksensitiven Element4 während des Zeitintervalls T2 gemeldeten Kurvenverlauf, wie unter der Beschreibung zu2 erwähnt. Die Diagnosesteuerung/-auswertung11 vergleicht den aktuell gemeldeten Kurvenverlauf mit dem abgespeicherten Kurvenverlauf gemäß Referenzkurve7 . - Bei intaktem Druckmesswerk
1 ergibt sich während des Diagnose-Zeitintervalls T2 eine registrierte Kurve ähnlich der Referenzkurve7 . Wenn jedoch Ändungen am Druckmesswerk1 eingetreten sind (wie z. B. der Riss einer oder meherer Membranen3a und/oder3b und/oder eine Leckage in einem Kanal2a und/oder2b und/oder eine Leckage in der flüssigkeitsgefüllten Kammer5 vorliegt), ergibt sich eine registrierte Kurve ähnlich der Kurve8 gemäß2 , bei welcher die Phasenverschiebung und der durch die Volumenänderung ausgelöste Druckunterschied im Vergleich zur Referenzkurve7 einen vorgegebenen Toleranzwert überschreitet. Folglich beaufschlagt die Diagnosesteuerung/-auswertung11 die Anzeigevorrichtung12 , um das gestörte Druckmesswerk1 zu melden (Störungsmeldung). - Der während des Diagnose-Zeitintervalls T2 auftretende Messwert des Druckmesswerks
1 (hier Differenzdruckaufnehmer) wird selbstverständlich nur für die Diagnose herangezogen, jedoch nicht als Sensorsignal für die übergeordnete Mess- und Regelanlage verwendet. - Bei einem System mit einer Vielzahl von Druckmesswerken
1 (hier Differenzdruckaufnehmern) können Energieeinspeiseeinrichtung9 , Auswerteeinrichtung10 , Diagnosesteuerung/-auswertung11 und Anzeigevorrichtung12 vorteilhaft für alle Druckmess werke1 verwendet werden, wobei eine sukzessive Beaufschlagung der einzelnen Druckmesswerke erfolgt. - Die Länge des Diagnose-Zeitintervalls T2 sowie die Länge der Zeitintervalle T1 zwischen zwei Diagnosen können in einem weiten Bereich variiert werden, wobei selbstverständlich Kriterien der übergeordneten Mess- und Regelanlage berücksichtigt werden.
- Die Erfindung ist vorstehend am Beispiel eines Differenzdruckaufnehmers erläutert. In gleicher Art und Weise ist die Erfindung auch bei Absolutdruckaufnehmern und bei Relativdruckaufnehmern verwendbar. Beim Absolutdruckaufnehmer sind selbstverständlich lediglich ein flüssigkeitsgefüllter Kanal und eine Membran erforderlich. Beim Relativdruckaufnehmer wird ein interessierender Druck (Prozessdruck) mit dem Umgebungsdruck verglichen.
- Als Prüfelement
6 wird vorstehend ein piezoelektrisches Element eingesetzt. Alternativ sind auch andere Prüfelemente verwendbar, bei denen eine Volumenänderung vorzugsweise elektrisch initiierbar und realisierbar ist. In gleicher Art und Weise kann die Volumenänderung selbstverständlich auch auf nichtelektrische Weise, beispielsweise pneumatisch, initiiert werden. -
- 1
- Druckmesswerk (Messzelle)
- 2a
- erster flüssigkeitsgefüllter Kanal
- 2b
- zweiter flüssigkeitsgefüllter Kanal
- 3a
- erste Membran
- 3b
- zweite Membran
- 4
- drucksensitives Element
- 5
- flüssigkeitsgefüllte Kammer
- 6
- Prüfelement
- 7
- mit
dem drucksensitiven Element
4 bei - intakter Membran aufgenommene "Referenzkurve"
- 8
- mit
dem drucksensitiven Element
4 bei eventuell defekter - Membran aufgenommene "detektierte Kurve"
- 9
- Energieeinspeiseeinrichtung
- 10
- Auswerteeinrichtung
- 11
- Diagnosesteuerung/-auswertung
- 12
- Anzeigevorrichtung
- A
- Spannungs- und/oder Strom- und/oder Lastwerte
- p1
- erster Druck
- p2
- zweiter Druck
- t
- Zeit
- T1
- Zeitabstand
zwischen zwei Beaufschlagungen des Prüfelements
6 - T2
- Diagnose-Zeitintervall
der Beaufschlagung des Prüfelements
6
Claims (3)
- Vorrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerks (
1 ) in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer , wobei ein in das Druckmesswerk (1 ) eingebautes drucksensitives Element (4 ) vorzugsweise über mindestens eine Membran (3a ,3b ) mit mindestens einem Druck (p1, p2) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckmesswerk (1 ) ein Prüfelement (6 ) integriert ist, welches durch vorzugsweise elektrische Ansteuerung zu einer Volumenänderung gebracht werden kann, wobei der hierdurch verursachte Druckunterschied vom drucksensitiven Element (4 ) erfassbar und mittels Auswertemittel bewertbar ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltungsanordnung zur Selbstdiagnose vorgesehen ist, – mit einer Diagnosesteuerung/-auswertung (
11 ), welche mit einer Energieeinspeiseeinrichtung (9 ) zur Versorgung des Prüfelements (6 ) verbunden ist, – wobei die Diagnosesteuerung/-auswertung (11 ) an eine Auswerteeinrichtung (10 ) des drucksensitiven Elementes (4 ) angeschlossen ist, – wobei die Diagnosesteuerung/-auswertung (11 ) einen Speicher zur Abspeicherung einer Referenzkurve (7 ) und einen Vergleicher zum Vergleich einer aktuell mittels des drucksensitiven Elementes (4 ) registrierten Kurve (8 ) mit der abgespeicherten Referenzkurve (7 ) aufweist und – wobei die Diagnosesteuerung/-auswertung (11 ) mit einer Anzeigevorrichtung (12 ) zur Meldung eines gestörten Druckmesswerkes verbunden ist. - Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Druckmesswerkes in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer, wobei ein in das Druckmesswerk (
1 ) eingebautes drucksensitives Element (4 ) vorzugsweise über mindestens eine Membran (3a ,3b ) mit mindestens einem Druck (p1, p2) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass während definierter Diagnose-Zeitintervalle (T2) ein im Druckmesswerk (1 ) integriertes Prüfelement (6 ) durch vorzugsweise elektrische Ansteuerung zu einer Volumenänderung gebracht wird, – dass der hierdurch verursachte Druckunterschied im Druckmesswerk (1 ) durch das drucksensitive Element (4 ) registriert wird, – dass die während eines Diagnose-Zeitintervalls (T2) registrierte Kurve (8 ) mit einer bei intaktem Druckmesswerk (1 ) aufgenommenen Referenzkurve (7 ) verglichen wird und – dass eine Störungsmeldung erfolgt, wenn die Abweichungen zwischen registrierter Kurve (8 ) und Referenzkurve (9 ) einen vorgegebenen Toleranzwert überschreiten.
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