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Die
Erfindung betrifft einen Druckmessumformer nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Druckmessumformers
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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In
prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige
Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt.
Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise
Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder
Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in
Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend
einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie
beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien
ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Insbesondere
in verfahrenstechnischen Anlagen stellen Druckmessumformer wesentliche
sensorische Komponenten im Rahmen von automatisierten Produktionsabläufen dar.
Im Hinblick auf ein optimales Anlagenverhalten und eine dauerhaft
hohe Produktqualität sind qualitativ hochwertige Messumformer
notwendig, die auch unter extremen Bedingungen langzeitstabile und
wenig fehlerbehaftete Messwerte liefern. Beispielsweise 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 oder zu einem Anlagenstillstand führen, insbesondere
wenn der Messwert für die Betriebssicherheit der Anlage
relevant ist. Im Falle einer Verwendung des Druckmessumformers in
einem Regelkreis wirkt sich ein fehlerbehafteter Messwert negativ
auf die Regelgenauigkeit aus und verringert somit die Produktqualität.
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Aus
der
DE 10 2005
044 410 B4 ist ein Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung bekannt,
in welchem der zu messende Druck (Systemdruck) des Prozessmediums über
eine Trennmembran und eine mit Silikonöl befüllte
Messkammer auf einen Drucksensor übertragen wird, der als ein
piezoresistiver Siliziumsensor ausgeführt ist. Zur Erhöhung
der Verfügbarkeit des Druckmessumformers ist zusätzlich
zu diesem ersten Drucksensor ein zweiter Drucksensor mit größerem Überlastbereich vorgesehen.
Eine Auswerteeinrichtung zur Ermittelung und Ausgabe eines Messwerts
in Abhängigkeit des Messsignals des ersten Drucksensors
ist derart ausgebildet, 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 im Falle eines Fehlers des ersten Drucksensors
der Messwert in der Auswerteeinrichtung ermittelt und ausgegeben
wird. Eine Kalibrierung des ersten Drucksensors ist dagegen nicht
beschrieben.
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Aus
der
US 2008/0006094
A1 ist ein Differenzdruckmessumformer bekannt, in welchem
die Funktion eines Differenzdrucksensors zur Verbesserung der Verfügbarkeit
und Messgenauigkeit mit zwei zusätzlichen Absolutdrucksensoren überwacht
wird. Eine Kalibrierung des Differenzdrucksensors wird auch hier
nicht erwähnt.
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Drucksensoren
weisen häufig eine Siliziummembran auf, die sich in Folge
des einwirkenden Druckes durchbiegt. Diese Biegung führt
auf den Oberflächen der Membran zu Materialspannungen, die
beispielsweise mit Hilfe in die Siliziummembran eingebetteter, zu
einer Wheatstone-Brücke verschalteter piezoresistiver Widerstände
in ein Messsignal gewandelt werden. Um genaue Messergebnisse zu erzielen,
ist es erforderlich, Messumformer mit derartigen Drucksensoren im
Rahmen einer Werkseinstellung zu kalibrieren. Nachteilig dabei ist,
dass das Messsignal über längere Betriebszeiträume
aufgrund von Alterungseffekten der Widerstände, mechanischen
Verspannungen der Membran oder aus anderen Gründen eine
Drift erfahren kann, so dass die Messergebnisse den Genauigkeitsanforderungen nicht
mehr genügen. Um die erforderliche hohe Messgenauigkeit über
einen längeren Zeitraum zu erhalten, sind daher von Zeit
zu Zeit manuelle Nachkalibrierungen erforderlich. Derartige Maßnahmen sind
vergleichsweise aufwendig, da gewöhnlich der Druckmessumformer
aus der automatisierungstechnischen Anlage entnommen und im Werk
oder in einer speziellen Kalibriervorrichtung neu kalibriert werden
muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer der
eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu
schaffen, mit welchen die Kalibrierung des Druckmessumformers vereinfacht
wird.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer
die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen
Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen, in Anspruch
5 ein Verfahren zum Betrieb eines Druckmessumformers beschrieben.
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Die
Erfindung geht von der Idee aus, in einem Druckmessumformer einen
Drucksensor, der aufgrund mäßiger Langzeitstabilität
von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden muss, um eine Referenz mit vergleichsweise
guter Langzeitstabilität zu ergänzen. In vorteilhafter
Weise wird als Referenz zumindest ein Druckschalter verwendet, da
sich derartige Komponenten durch einen vergleichsweise langzeitstabilen
Aufbau auszeichnen. Der Drucksensor selbst braucht dann nicht mehr
besonders langzeitstabil aufgebaut zu sein, da sich eine Kalibrierung
oder Neukalibrierung des Drucksensors automatisch zyklisch oder
zu vorgebbaren Zeiten bewerkstelligen lässt. Es können
daher preisgünstigere Drucksensoren zum Einsatz kommen,
ohne signifikante Nachteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit
und die Langzeitstabilität des Druckmessumformers hinnehmen zu
müssen. Wenn sich Veränderungen der Kennlinie des
Drucksensors, welche die Abhängigkeit des Messsignals vom
zu messenden Druck wiedergibt, lediglich in einer Verschiebung äußern,
genügt bereits ein einzelner Druckschalter als Referenz.
Verändert sich das bei der Schaltschwelle des Druckschalters
von dem Drucksensor ausgegebene Messsignal aufgrund seiner Alterung,
so kann eine neue Kalibrierung durch einfache Parallelverschiebung
der Kennlinie durchgeführt werden.
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In
einem besonders kompakten Aufbau des Druckmessumformers wird der
zumindest eine Druckschalter in dieselbe Messzelle integriert, in
welcher auch der Drucksensor angeordnet ist. Mit einem etwas größeren
Aufwand ist dagegen eine Anordnung des Druckschalters außerhalb
der Messkammer der Messzelle des Drucksensors verbunden. Eine derartige
Anordnung hat jedoch den Vorteil, dass die Schaltschwelle des Druckschalters
nicht durch die Eigenschaften der Trennmembran oder des Füllöls
in der Messkammer beeinflusst wird und dass daher auch deren Alterungserscheinungen,
beispielsweise aufgrund von mechanischen Verspannungen der Trennmembran
oder von Gasblasen im Füllöl, bei der Kalibrierung
kompensiert werden.
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Wenn
eine Neukalibrierung des Druckmessumformers bei jeder Überschreitung
der Schaltschwelle des Druckschalters vorgenommen wird, hat dies
den Vorteil, dass auf Veränderungen der Drucksensoreigenschaften
schnell reagiert wird und daher eine bessere Messgenauigkeit erhalten
werden kann.
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Beispielsweise
eine nichtlineare Kalibrierkurve eines Drucksensors kann durch Kippen
und/oder Verschieben in einfacher Weise an Veränderungen der
Kalibrierdaten angepasst werden, wenn zwei Druckschalter mit zwei
verschiedenen Schaltschwellen als Referenz verwendet werden. Bei
mehr als zwei Druckschaltern ist zudem eine Anpassung der Form der
Kalibrierkurve oder eine Anpassung durch abschnittsweise Näherung
der Kalibrierkurve an die Schaltschwellen möglich.
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Die
Lage der Schaltschwelle des Druckschalters eines Druckmessumformers
wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bei einer Werkskalibrierung
ermittelt und in einem Speicher der Auswerteeinrichtung hinterlegt.
Zudem kann in einer Werkskalibrierung die Abhängigkeit
der Schaltschwelle von der jeweiligen Temperatur des Druckmessumformers
ermittelt und abgespeichert werden. Dadurch können preiswertere
Druckschalter verwendet werden, da ihre Schaltschwelle keinen vorgegebenen
Wert haben muss und keine absolute Genauigkeit der Schaltschwelle
gefordert wird. Ihre genaue Lage und Temperaturabhängigkeit
wird vielmehr in der Werkskalibrierung exemplarspezifisch bestimmt und
muss lediglich hinsichtlich der Langzeitstabilität gewissen
Anforderungen genügen.
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Der
in dieser Anmeldung verwendete Begriff „Überschreiten” einer
Schaltschwelle schließt selbstverständlich beide
Richtungen ein, also sowohl eine Überschreitung von unten
nach oben als auch von oben nach unten. Bei einem hysteresebehafteten Druckschalter
können mit demselben Druckschalter zwei verschiedene Schaltschwellen
realisiert werden, wobei die jeweils für die Kalibrierung
wirksame Schaltschwelle nach der Richtung des Überschreitens
der Schaltschwelle auszuwählen ist.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und
Vorteile näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schnittbild eines Aufnehmers eines Druckmessumformers,
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2 ein
Blockschaltbild des Druckmessumformers und
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3 ein
Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Kalibrierung.
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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 1 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 Drucksensor 6 und
einen Druckschalter 7 übertragen. Der Drucksensor 6 erzeugt
ein Messsignal und der Druckschalter 7 ein Schaltsignal,
welche durch in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte
elektrische Leitungen an eine Auswerteeinrichtung zur weiteren Verarbeitung übertragen werden.
Der Druckschalter 7 dient als langzeitstabile Referenz
zur Kalibrierung des Drucksensors 6 und damit zur Kompensation
von Drifterscheinungen, die beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten
im Drucksensor 6 auftreten können.
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Im
Ausführungsbeispiel ist ein Aufnehmer 1 eines
Messumformers für Absolutdruck dargestellt. Selbstverständlich
können in analoger Weise auch Aufnehmer mit variablem Referenzdruck
für Relativdruckmessumformer oder Aufnehmer für
Differenzdruckmessumformer mit einem oder mehreren Druckschaltern
als Referenz zur Kalibrierung des Messumformers ausgestattet werden.
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Alternativ
zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Druckschalter 7 außerhalb
der Messkammer 5 und damit vor der Membran 4 angeordnet werden.
Das hat den Vorteil, dass der Druckschalter 7 in seinem
Messverhalten nicht durch die Eigenschaften der Membran 4 und
des Füllöls in der Messkammer 5 beeinflusst
wird.
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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 Messsignal 9 des Drucksensors 6 sowie
ein Schaltsignal 10 des Druckschalters 7 an eine
Auswerteeinrichtung 11. In dieser werden die beiden Signale 9 und 10 in
einer Signalverarbeitungseinheit 12 zur Bestimmung eines
Messwerts 13 weiter ver arbeitet. 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. Mit Hilfe
des binären Schaltsignals 10 wird der Auswerteeinrichtung 11 angezeigt,
ob sich der zu messende Druck P oberhalb oder unterhalb einer vorbestimmten
Schwelle befindet. Der Wert der Schwelle wurde in einer Werkskalibrierung
ermittelt und in einem Speicher 17 hinterlegt. Überschreitet
der Druck P die vorbestimmte Schwelle, so wird der dabei übertragene
Wert des Messsignals 9 mit einem bereits in dem Speicher 17 der
Auswerteeinrichtung 11 hinterlegten, der jeweiligen Schwelle
zugeordneten Kalibrierdatum verglichen. Treten gegenüber
früher abgespeicherten Kalibrierdaten Abweichungen auf,
so wird mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit 12 eine
Neukalibrierung des Druckmessumformers vorgenommen. Durch die Neukalibrierung
anhand des so ermittelten Kalibrierdatums, das mit Hilfe des langzeitstabilen
Druckschalters 7 als Referenz gewonnen wurde, werden daher
Einflüsse von Alterungseffekten des Drucksensors 6 auf
das Messergebnis kompensiert und die Messgenauigkeit des Druckmessumformers
wiederhergestellt.
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Anhand 3 wird
beispielhaft die Vorgehensweise bei einer Neukalibrierung eines
Druckmessumformers mit zwei Druckschaltern erläutert. Auf
der Abszisse eines Kennliniendiagramms ist ein Messsignal U, auf
der Ordinate ein gemessener Druck P aufgetragen. Der Wertebereich
des Druckmessumformers reicht von einem Anfangswert PO bis zu einem
Endwert P1. Ein erster Druckschalter hat eine Schaltschwelle PS1,
ein zweiter Druckschalter eine Schaltschwelle PS2. Im Diagramm sind
drei Kennlinien K, K' und K'' eingezeichnet, deren Abstand und Steigungsabweichung
zur besseren Veranschaulichung stark überzeichnet sind.
Vor einer Neukalibrierung wird die Kennlinie K' in der Auswerteeinrichtung
zur Ermittelung eines Druck messwerts P anhand des Messsignals U
herangezogen. Überschreitet der zu messende Druck im Normalbetrieb die
Schwelle PS1, wird der dabei von dem Drucksensor abgegebene Wert
US1 des Messsignals U als neues Kalibrierdatum abgelegt und die
Kennlinie K' derart parallel verschoben, dass der Punkt (US1, PS1)
auf der neuen Kennlinie zu liegen kommt. Auf diese Weise wird die
Kennlinie K'' gewonnen. Bei Verwendung lediglich eines Druckschalters
in dem Druckmessumformer wäre die Neukalibrierung damit bereits
abgeschlossen. Wird im Normalbetrieb auch die Schaltschwelle PS2
des zweiten Druckschalters überschritten, liegt der dabei
erfasste Wert US2 des Messsignals als weiteres Kalibrierdatum vor,
das eine weitere Verbesserung der Kalibriergenauigkeit ermöglicht.
Nun wird in der Neukalibrierung die Kennlinie K'' um den Punkt (US1,
PS1) gedreht und auf diese Weise in die Kennlinie K überführt,
die sowohl den Punkt (US1, PS1) als auch den Punkt (US2, PS2) einschließt.
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In 3 sind
beispielhaft lineare Kennlinien K, K' und K'' eingezeichnet. Die
beschriebene Art der Neukalibrierung kann selbstverständlich
auch bei leicht nichtlinearen Kennlinien angewendet werden.
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Werden
mehr als zwei Druckschalter in einem Druckmessumformer als Referenz
eingesetzt, so kann die Anpassung der Kennlinie an neue, bei Überschreitung
der jeweiligen Schaltschwelle aufgenommene Kalibrierdaten beispielsweise
durch eine lineare Approximation oder eine abschnittsweise Näherung
vorgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005044410
B4 [0003]
- - US 2008/0006094 A1 [0004]