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Die
Erfindung betrifft einen Druckmessumformer nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
automatisierungstechnischen Anlagen werden zur Regelung oder Überwachung
von Prozessen vielfach Messumformer für Differenzdruck oder Absolutdruck
eingesetzt. Der Druck des Prozessmediums wird im Messumformer meist über eine Trennmembran
und eine mit Silikonöl
befüllte
Messkammer auf einen Drucksensor übertragen, der als ein piezoresistiver
Siliziumsensor ausgeführt
ist. Problematisch dabei ist die begrenzte Überlastfähigkeit des Drucksensors. Bei
einer Belastung des Drucksensors über die spezifizierten Grenzen
hinaus, beispielsweise mit kurzzeitigen Druckspitzen, kann der Drucksensor
zerstört
werden. Ein Messumformer mit einem defekten Drucksensor liefert
in einer automatisierungstechnischen Anlage keinen oder einen fehlerhaften
Messwert. Das kann zu einer schlechteren Qualität eines in der Anlage hergestellten
Produkts führen
oder zu einem Anlagenstillstand, insbesondere wenn der Messwert
für die
Betriebssicherheit der Anlage relevant ist. In jedem Fall sind erhebliche Kosten
mit einem Ausfall des Messumformers verbunden und dieser muss unverzüglich ausgetauscht werden.
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Eine
Möglichkeit
zur Erhöhung
der Verfügbarkeit
eines Druckmessumformers ist die Verwendung eines Drucksensors mit
einem höheren
Messbereich und damit mit einer höheren Überlastfähigkeit. Der Vorteil einer
höheren Überlastfähigkeit
ist jedoch im Allgemeinen mit dem Nachteil einer verringerten Messgenauigkeit
verbunden. Im Falle einer Verwendung des Druckmessumformers in einem
Regelkreis wirkt sich dies negativ auf die Regelgenauigkeit aus
und verringert somit die Produktqualität.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verbesserung der Verfügbarkeit
von Druckmessumformern ist aus der
US
6 029 524 bekannt. Zwei im Wesentlichen gleiche Drucksensoren
sind im Gehäuse
des Messumformers eingebaut. Zur Feststellung eines Fehlers in einem
der beiden Drucksensoren werden die von den beiden Drucksensoren
gelieferten Messsignale miteinander verglichen. Liegt eine signifikante
Abweichung zwischen den beiden Messsignalen vor, so deutet dies
auf einen Fehler des Drucksensors oder eine Drucksensorzerstörung hin.
Ist einer der beiden Drucksensoren ausgefallen, so kann der Messumformer
mit dem noch funktionsfähig
verbleibenden Sensor Weiterbetrieben werden. Bei schleichenden oder verschleißbedingten
Fehlern ist diese Maßnahme wirkungsvoll.
Nachteilig ist jedoch, dass im Fall einer Überlast beide Drucksensoren
zerstört
werden, da sie im Wesentlichen gleich aufgebaut sind und somit bezüglich ihrer Überlastfähigkeit
denselben Beschränkungen
unterliegen.
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Aus
der
DE 1 573 811 A ist
eine Druckmessgerätegruppe
bekannt, die ein Druckmessgerät
für einen
niedrigen Druckbereich sowie ein Druckmessgerät für einen höheren Druckbereich aufweist. Überschreitet
der Messwert den Maximaldruck des Druckmessgeräts für den niedrigen Druckbereich,
wird die Leitung zu diesem unterbrochen und das Druckmessgerät mit dem
höheren
Druckmessbereich übernimmt
die Anzeige des gemessenen Wertes.
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Aus
der
DE 100 34 390
C2 ist ein Drucksensor mit einem Druckmesselement für niedrigen
Druck und mit einem Druckmesselement für höheren Druck bekannt.
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Aus
der
DE 198 60 500
A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Druckmessung mit mehreren
Drucksensoren, die verschiedene Messbereiche aufweisen, bekannt.
Die Drucksensoren sind so abgestimmt, dass die Messbereiche aneinander
grenzen und sich einander überlappen.
Zum Kalibrieren des Drucksensors mit dem höheren Messbereich mittels des
Drucksensors mit dem niedri gen Messbereich im Überlappungsbereich ist eine
Kalibriervorrichtung vorgesehen.
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Aus
der
DE 42 18 474 C2 ist
ein Fluiddrucküberprüfungsgerät mit ebenfalls
mehreren Drucksensoren mit verschiedenen Messbereichen bekannt. Bei
diesem Gerät
wird jeder Drucksensor bis an seinen oberen Wert des Messbereichs
betrieben, dann abgesperrt und der nächstfolgende mit der höheren Überlastfähigkeit übernimmt
die Messung. Ein Prozessor stellt die Höhen der von den Sensoren angegebenen
Signale fest und gibt einen der Summe dieser Signalwerte entsprechenden
Wert aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu
schaffen, der sich durch eine weitere Verbesserung der Verfügbarkeit
auszeichnet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten
Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
auf. In den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass nach einem Ausfall des ersten Drucksensors
der Messumformer mit dem zweiten Drucksensor weiterhin Messwerte
liefern kann, da dessen Überlastfähigkeit
höher ausgelegt
ist als diejenige des ersten Drucksensors. In vorteilhafter Weise
wird dies nicht mit einer verringerten Messgenauigkeit des Messumformers
bei intaktem erstem Drucksensor erkauft. Solange der erste Drucksensor
mit der höheren
Empfindlichkeit funktionsfähig
ist, wird der Messwert anhand des von diesem erzeugten ersten Messsignals
ermittelt und ausgegeben. Der Messbereich des zweiten Drucksensors
wird vorzugsweise so ausgelegt, dass er zumindest den Bereich einer
zulässigen Überlast
des ersten Drucksensors abdeckt. Seine Überlastfähigkeit ist damit wesentlich
höher als
diejenige des ersten Drucksensors, so dass weitgehend sichergestellt
ist, dass der Prozessdruck, der im Normalfall innerhalb des Messbereichs
des ersten Drucksensors liegt, nicht die Überlastfähigkeit des zweiten Drucksensors übersteigt.
Selbst nach dem Ausfall des ersten Drucksensors aufgrund eines unzulässigen Überlastzustands
kann der Messumformer mit Hilfe des zweiten Drucksensors einen Messwert
mit eventuell geringerer Messgenauigkeit ausgeben. Die Verfügbarkeit
des Messumformers wird somit wesentlich erhöht. Ein außerplanmäßiger Stillstand einer automatisierungstechnischen
Anlage kann daher häufig
vermieden werden, da der Weiterbetrieb des Messumformers mit reduzierter
Messgenauigkeit möglich
ist. Beim nächsten
geplanten Anlagenstillstand, z. B. bei einer zyklischen Wartung,
kann der Austausch des defekten Messumformers durch ein Gerät mit zwei
intakten Drucksensoren erfolgen. Die mit einem Anlagenstillstand
verbundenen Kosten können
daher weitgehend vermieden werden.
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Ein
Fehler des ersten Sensors kann durch Vergleich seines Messsignals
mit dem Messsignal des zweiten Drucksensors erfolgen. Liegen die
den beiden Messsignalen entsprechenden Druckwerte wesentlich auseinander,
muss ein Fehler vorhanden sein, der aufgrund seiner geringeren Überlastfähigkeit
mit großer
Wahrscheinlichkeit beim ersten Drucksensor eingetreten ist. Wenn
die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Brucherkennung aufweist,
die den Zustand eines der beiden Drucksensoren, vorzugsweise des
ersten Drucksensors, überprüft, kann
zusätzlich
bestimmt werden, welcher der beiden Drucksensoren ein fehlerhaftes
Messsignal liefert. Eine derartige Brucherkennung kann bereits ansprechen,
wenn die beiden Drucksensoren noch einander entsprechende Messsignale
liefern, und trägt
somit zu einer Fehlerfrüherkennung
bei. Weiterhin wird durch die Einrichtung zur Brucherkennung zuverlässig verhindert,
dass bei einem fehlerhaften zweiten Drucksensor aufgrund einer unzulässigen Abweichung
der beiden Messsignale ein falscher Messwert auf der Basis des zweiten Drucksensors ermittelt
und ausgegeben wird. Durch die zusätzliche Einrichtung zur Brucherkennung
wird die Verfügbarkeit
des Messumformers daher weiter verbessert. Die Funktionsweise der
Einrichtung zur Brucherkennung hängt
vom jeweils verwendeten Typ des Drucksensors ab. Beispielsweise
bei einem piezoresistiven Drucksensor kann eine ohmsche Messung
der einzelnen Widerstandswerte durchgeführt und das Ergebnis zur Feststellung
eines Bruchs der Sensormembran ausgewertet werden.
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Die
Auswerteeinrichtung kann mit Vorteil derart ausgebildet sein, dass
im Normalbetrieb zyklisch anhand des ersten Messsignals des ersten Drucksensors
eine Kalibrierung des zweiten Drucksensors erfolgt. Dadurch wird
eine Minimierung des Messfehlers erreicht, wenn bei einem Defekt
des ersten Drucksensors der zweite Drucksensor mit geringerer Empfindlichkeit
und im Allgemeinen geringerer Messgenauigkeit zur Erzeugung des
Messsignals dient, auf dessen Basis der Messwert in der Auswerteeinrichtung
ermittelt und ausgegeben wird.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden Ausgestaltungen und Vorteile
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schnittbild eines Aufnehmers eines Druckmessumformers und
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2 ein
Blockschaltbild des Druckmessumformers.
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Ein
Aufnehmer 1 eines Druckmessumformers weist gemäß 1 einen
Prozessanschluss 3 auf, mit welchem er an eine Rohrleitung
oder einen Behälter
in einer automatisierungstechnischen Anlage anschließbar ist.
Ein Prozessmedium mit einem Druck p wird dem Aufnehmer durch eine Öffnung im Prozessanschluss 3 zugeführt. Im
Innenraum eines Aufnehmergehäuses 2 gelangt
das Prozessmedium zu einer Trennmembran 4, durch welche
das Prozessmedium von einem Füllöl getrennt
wird, das sich in einer Messkammer 5 befindet. Mit Hilfe
des Füllöls wird
der Prozessdruck p hydrostatisch auf einen ersten Drucksensor 6 sowie
einen zweiten Drucksensor 7 übertragen. Die beiden Drucksensoren 6 und 7 erzeugen
ein erstes Messsignal bzw. ein zweites Messsignal, welche durch
in der Figur der Übersichtlichkeit wegen
nicht dargestellte elektrische Leitungen an eine Auswerteeinrichtung
zur weiteren Verarbeitung übertragen
werden. Bei einem Aufnehmer mit variablem Referenzdruck oder bei
einem Differenzdruckaufnehmer kann der zweite Druck beispielsweise
mit weiteren, in der Figur nicht dargestellten Drucksensoren erfasst
und in die Auswertung einbezogen werden. Der erste Drucksensor 6 besitzt
einen Messbereich, der auf die an seinem Einsatzort auftretenden Prozessdrücke abgestimmt
ist. Der zweite Drucksensor 7 hat dagegen einen weiteren
Messbereich und eine Überlastfähigkeit,
welche erheblich größer als diejenige
des ersten Drucksensors 6 ist.
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Anhand 2 wird
im Folgenden die Funktionsweise des Druckmessumformers näher erläutert. Gleiche
Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aufnehmer 1 liefert
ein erstes Messsignal 9 des ersten Drucksensors 6 sowie
ein zweites Messsignal 10 des zweiten Drucksensors 7 an
eine Auswerteeinrichtung 11. In dieser werden die beiden Messsignale 9 und 10 in
einer Signalverarbeitungseinheit 12 zur Bestimmung eines
Messwerts 13 weiterverarbeitet. In der Signalverarbeitungseinheit 12 werden
zusätzlich
Statusmeldungen, die den Zustand des Messumformers betreffen, erzeugt.
Statusmeldungen und Messwert 13 werden durch eine Schnittstelle 14 über ein
Bussystem 15 an ein Leitsystem 16 weitergegeben,
in welchem diese zur Verwendung in einer automatisierungstechnischen
Anlage, beispielsweise als Istwert in einem Regelkreis, weiterverarbeitet
werden. Zur Detektion eines Fehlers in einem der beiden Drucksensoren 6 oder 7 werden
die gelieferten Messsignale 9 und 10 in der Signalverarbeitungseinheit 12 miteinander
verglichen. Weichen die beiden Messsignale 9 und 10 zu
sehr voneinander ab, liegt eine Störung in einem der beiden Drucksensoren 6 oder 7 vor.
Bei einer nur geringfügigen
Abweichung wird durch die Signalverarbeitungseinheit 12 der
zweite Drucksensor 7 anhand des ersten Messsignals 9 zyklisch
neu kalibriert. Eine Einrichtung 17 zur Brucherkennung
stellt beispielsweise durch Messungen auf den Leitungen, über welche
das erste Messsignal 9 an die Auswerteeinrichtung 11 übertragen
wird, fest, ob der erste Drucksensor 6 oder seine Zuleitungen
Schaden genommen haben. Beispielsweise bei einem Drucksensor mit
piezoresistiven Sensorelementen kann dies durch eine ohmsche Messung
der einzelnen Sensorelemente und der Zuleitungen erfolgen. Das Ergebnis
der Brucherkennung wird durch die Einrichtung 17 an die
Signalverarbeitungseinheit 12 weitergegeben, welche dieses
in die Erzeugung der Zustandsmeldungen sowie des Messwerts 13 einbezieht.
Wird ein Fehler des ersten Drucksensors 6 festgestellt,
so wird der Messwert 13 ausschließlich auf der Basis des zweiten
Messsignals 10 des zweiten Drucksensors 7 gebildet.
Im Normalbetrieb beruht der weitergegebene Messwert 13 dagegen
ausschließlich
auf dem ersten Messsignal 9 des ersten Drucksensors 6.
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Da
der Messumformer auch bei einem Ausfall des ersten Drucksensors 6,
beispielsweise aufgrund einer Überlast,
Weiterbetrieben werden kann, werden ungeplante Anlagenstillstände vermieden. Der
Austausch des defekten Messumformers kann bei der nächsten zyklischen
Wartung erfolgen.