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Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle zur Erfassung des in einem angrenzenden Mediums vorherrschenden Drucks, mit einer elastischen Membran und einem Messelement, wobei eine Seite der Membran zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und die andere Seite der Membran von dem Medium abgewandt ist, und wobei die mit dem Medium in Kontakt stehende elastische Membran durch den Druck innerhalb des Mediums auslenkbar ist und mit dem Messelement der Druck in dem Medium erfassbar und in ein korrespondierendes Messsignal wandelbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein elektronisches Druckmessgerät, bestehend aus einem Prozessanschluss, einem darauf aufgesetzten Gehäuse und einer Messzelle zur Erfassung des in einem Medium vorherrschenden Drucks. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur diagnosefähigen Druckerfassung.
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Messzellen und Messgeräte der in Rede stehenden Art sind seit längerem bekannt und werden beispielsweise in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik zur messtechnischen Prozessbeobachtung eingesetzt. Die Messzelle ist Bestandteil des Messgeräts, wobei der Messzelle die elementare Aufgabe zukommt, die zu bestimmende physikalische Größe Druck unmittelbar oder mittelbar zu erfassen und in ein korrespondierendes Messsignal umzuwandeln.
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Bei der Druckmessung soll häufig der Druck innerhalb eines an die Messzelle angrenzenden Mediums erfasst werden, wobei die Messzelle eine elastische Membran aufweist, deren eine Seite zumindest teilweise mit dem Medium in Kontakt steht und deren andere Seite von dem Medium abgewandt ist. Der Druck innerhalb des üblicherweise gasförmigen, flüssigen, pastösen oder zumindest schüttfähigen Mediums wird dadurch ermittelt, dass das Medium die elastische Membran in Abhängigkeit von dem innerhalb des Mediums herrschenden Drucks verschieden stark auslenkt. Die Auslenkung bzw. reversible Deformation der Membran wird in ein korrespondierendes Messsignal umgewandelt, beispielsweise von einem Dehnungsmessstreifen, der mit der ausgelenkten Membran verformt wird, in einen entsprechenden Widerstandswert bzw. Spannungs- oder Stromwert.
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Die Lebenserwartung einer Messzelle oder eines Messgeräts ist aufgrund der möglicherweise sehr stark variierenden Belastung nicht oder nur sehr ungenau vorher bestimmbar. Beispielsweise kann ein einziger, kurzzeitiger Druckimpuls auf die Membran einer Druckmesszelle die sofortige Zerstörung des Messgeräts bzw. der Druckmesszelle bewirken, wenn die Membran Schaden nimmt. Sie kann irreversibel, d. h. plastisch verformt werden oder einreißen. Als Material für die Membranoberfläche wird im Wesentlichen Stahl, Silizium oder Keramik verwendet. Silizium und Keramik sind aber relativ spröde, so dass es zu keiner plastischen Verformung kommt. Aber bei Messzellen aus Stahl kann sich bspw. durch Überlastung eine plastische Verformung ergeben. Diese Verformung kann zur Folge haben, dass ein als Druckwert interpretiertes Signal gemessen wird, das lediglich aufgrund der ungewollten plastischen Verformung entsteht und nicht mit dem tatsächlichen Druck übereinstimmt. Im Ergebnis liefert die Messzelle kein verlässliches Messsignal mehr, aus dem entnommen werden kann, ob ein Druck anliegt und gegebenenfalls in welcher Höhe.
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Problematisch ist nun, festzustellen, ob ein sich ergebender Messwert aufgrund einer Schädigung der Messzelle ermittelt worden ist und damit fehlerhaft ist, oder ob der gemessene Wert dem tatsächlichen Druckwert innerhalb des Mediums im Rahmen der Messgenauigkeit entspricht. Insbesondere in Anlagen, bei denen entsprechende Stufen der Funktionalen Sicherheit (SIL) eingehalten werden müssen, ist die Verlässlichkeit der Messsignale hinsichtlich ihres Wahrheitsgehaltes ein wesentlicher Aspekt.
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Eine Möglichkeit besteht darin, entsprechende Redundanzsysteme aufzubauen. Eine derartige Möglichkeit sieht die Verwendung von zwei Messgeräten vor, wobei sich beide hinsichtlich ihres Druckbereichs unterscheiden und das Messgerät mit der größeren Druckfestigkeit aber dadurch geringeren Messgenauigkeit dabei die Redundanzfunktion übernimmt. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob beide Messgeräte den annähernd gleichen Druckwert messen, da im Fall eines Überdrucks das robustere Messgerät mit der größeren Druckfestigkeit noch den tatsächlichen Druckwert misst, während das andere Messgerät aufgrund einer Beschädigung der Messzelle einen abweichenden Wert ausgibt. Bei einem festgestellten Unterschied können dann entsprechende Maßnahmen ergriffen werden. Nachteilig ist, dass diese Lösung durch den doppelten Aufbau – auch bei Integration der redundanten Systeme in einem gemeinsamen Gehäuse – teuer und aufwendig ist. Zum anderen können auf diese Weise systematische Fehler nicht oder nur schwer erkannt werden.
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Die
DE 10 2007 016 792 A1 schlägt vor, die Membran und damit die Messzelle über ein aktivierbares Auslenkmittel zu erregen, wobei die Reaktion auf die Erregung durch das aktivierbare Auslenkmittel bevorzugt über Erfassung jener physikalischen Größe erfolgt, zu deren Erfassung die Messzelle ohnehin vorgesehen ist. Die Reaktion der Messzelle auf die durch das aktivierbare Auslenkmittel hervorgerufene Erregung hängt unter anderem davon ab, ob die Messzelle beschädigt ist oder nicht, so dass der Betriebszustand der Messzelle bzw. des Messgeräts aktiv diagnostizierbar ist. Veränderungen an der elastischen Membran wirken sich erheblich auf die Reaktion der Messzelle aus, so dass durch Vergleich der tatsächlichen Systemantwort mit der erwarteten Systemantwort einer intakten Messzelle ein Fehlerfall erkennbar ist. Bedingung ist aber, dass es sich bei dem Auslenkmittel um ein über eine elektrische Spannung aktivierbares Element, beispielsweise ein Piezoelement, handelt.
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Aus der
DE 195 27 687 A1 ist ein Drucksensor bekannt, der eine Messmembran mit zwei Widerstandsmessbrücken aufweist, wobei sich durch eine Auslenkung der Messmembran eine Verstimmung der jeweiligen Messbrücke ergibt und die daraus resultierende Änderung der Brücken-Diagonalspannung ausgewertet wird. Die Widerstands-Messbrücken sind jeweils auf einer Hälfte der Messmembran angeordnet, wobei in jeder der Widerstands-Messbrücken zwei sich gegenüberliegende Brückenzweige durch radiale Stauchung und die jeweils anderen Brückenzweige durch radiale bzw. tangentiale Dehnung in ihren Widerstandswerten verändert werden. Damit ist zwar eine plastische Verformung der Messmembran erkennbar, jedoch ist die Positionierung der Widerstands-Messbrücken eingeschränkt, da sie beim Anliegen eines Druckes eine jeweils vergleichbare Dehnung erfahren müssen. Dies hat zur Folge, dass die Widerstands-Messbrücken, d. h. ihre Widerstandspaare nicht im inneren Bereich der Messmembran angeordnet werden können, obwohl dort die Dehnung und damit die Signaländerung am größten ist, was letztlich eine schlechte Signalauswertung bedeutet.
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Die
DE 600 28 678 T2 offenbart einen Drucksensor, der eine Sensorfehlfunktion erfassen kann, wenn sich der Widerstandswert in einer Brückenschaltung aufgrund von Problemen der Beschädigungen verändert hat.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messzelle und ein Messgerät mit einer alternativen Möglichkeit zur Selbstdiagnose zur Verfügung zu stellen.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Druckmesszelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein elektronisches Druckmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß sind auf der Oberfläche der vom Medium abgewandten Seite der Membran zwei voneinander unabhängige Messglieder angeordnet, wobei jedes Messglied mehrere, vorzugsweise vier Messelemente aufweist. Jedes Messglied weist dabei mehrere, vorzugsweise vier Messelemente (3, 4) auf und die Messelemente wenigstens eines Messglieds sind auf einer ersten Mittellinie der Membran angeordnet. Die Oberfläche der vom Medium abgewandten Seite der Membran ist in wenigstens vier konzentrische Bereiche unterteilt, in denen die Membran beim Anliegen eines Drucks ein unterschiedliches Auslenkungsverhalten aufweist, und jeder Bereich weist mindestens ein Messelement (3, 4) auf.
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Die Membran der erfindungsgemäßen Druckmesszelle ist vorzugsweise als Stahlmembran ausgeführt, auf der die Messelemente im inneren Bereich zu einem Messglied, insbesondere einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltet sind. Vorstellbar ist allerdings auch, die Messglieder als Spannungsteiler auszuführen oder aber eine Kombination, d. h. ein Messglied als Widerstandsmessbrücke und ein Messglied als Spannungsteiler auszuführen. Eine Widerstandsmessbrücke ist allerdings deswegen vorteilhaft, weil sich der Signalhub, d. h. die Widerstandsänderung, verdoppelt, wodurch eine größere Auflösung erreicht wird und damit das Erkennen kleiner Signaländerungen einfacher möglich ist. Je nach Anforderung kann aber auch die Ausführung mit Spannungsteiler vorteilhaft sein, insbesondere wenn es darum geht, einen möglichst kostengünstigen Aufbau zu realisieren und die geringere Signaländerung weniger wichtig ist, weil bspw. die Mindest-Signaländerungen ausreichend groß sind, um eine Erkennung jederzeit zu gewährleisten.
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Die Unabhängigkeit beider Messglieder bedeutet, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen und elektronisch voneinander entkoppelt sind. Im Ergebnis wird somit ein Redundanzsystem vorgeschlagen, d. h. zwei unabhängige Messsysteme, die sich aber auf derselben Membranoberfläche einer Druckmesszelle befinden. Als Messelemente kommen dabei insbesondere Dehnungsmessstreifen oder Widerstandspaste oder Piezoelemente infrage. Die Dehnungsmessstreifen können in Dickfilmtechnik als Dickfilmwiderstand oder alternativ in Dünnfilmtechnik als Dünnfilmwiderstand ausgeführt sein. Je nach Anwendungsfall erfolgt eine Auswahl der einzusetzenden Messelemente aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Alternativen, bspw. hinsichtlich Überlast- und Berstdruck-Festigkeit, Nenndruckbandbreite, Genauigkeit, Bauformgröße, Gewicht sowie Signalhub und nicht zuletzt hinsichtlich der zu erwartenden Kosten.
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Vorteilhafterweise ist die Oberfläche der vom Medium abgewandten Seite der Membran in wenigstens vier konzentrische Bereiche unterteilt ist, in denen die Membran beim Anliegen eines Drucks ein unterschiedliches Auslenkungsverhalten aufweist, und jeder Bereich mindestens ein Messelement aufweist. Dabei werden die beiden Messglieder aus Messelementen von jeweils zwei Bereichen der Membranoberfläche gebildet. Es ergeben sich somit folgende Möglichkeiten: die Messelemente des ersten Messglieds befinden sich im innersten und zweitinnersten Bereich, so dass die Messelemente des zweiten Messglieds sich im äußersten und zweitäußersten Bereich befinden; die Messelemente des ersten Messglieds befinden sich im innersten und zweitäußersten Bereich, so dass die Messelemente des zweiten Messglieds sich im äußersten und zweitinnersten Bereich befinden; die Messelemente des ersten Messglieds befinden sich im innersten und äußersten Bereich, so dass die Messelemente des zweiten Messglieds sich im zweitäußersten und zweitinnersten Bereich befinden. Aufgrund der unterschiedlichen Position der Messelemente besitzen beide Messglieder einen unterschiedlichen, aber bekannten Signalverlauf im Nenndruckbereich. Mit Hilfe von entsprechend angepassten Verstärkungsfaktoren können beide Signalverläufe derart korrigiert werden, dass sie nahezu deckungsgleich sind. Kleinere Abweichungen von der Deckungsgleichheit fallen unter die Toleranz. Die Differenz beider Signale ist somit im Wesentlichen Null. Denkbar ist auch die Bildung des Quotienten beider Signale, der dann im Wesentlichen Eins ist.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht nun darin, die Messelemente der beiden Messbrücken an Stellen auf der Membran anzuordnen, die sich im Falle einer ungewollten plastischen Verformung unterschiedlich stark verformen, so dass die sich dann ergebenden Signalverläufe beider Messglieder nicht mehr mit dem vorherigen (stabilen) Korrekturfaktor in Deckung gebracht werden können. Die Differenz beider Signale ist somit ungleich Null bzw. der Quotient ungleich Eins. Letztlich geht also nicht darum, das eigentliche Messergebnis betragsmäßig zu überprüfen, sondern um die Überprüfung, ob die Differenz oder der Quotient beider Signale Null bzw. Eins ist. Wenn es hierbei Abweichungen gibt, kann auf eine plastische Verformung der Membranoberfläche geschlossen werden, ohne dass – wie bei klassischen Redundanzsystemen – der gemessene Wert betragsmäßig als falsch erkannt werden muss. Im Ergebnis liegt der Grundgedanke darin, auszunutzen, dass die Verformungscharakteristik der Membran bei einer plastischen Verformung eine andere ist als bei einer elastischen Verformung, was sich letztlich in der Änderung der Signaldifferenz bzw. des Signalquotienten ausdrückt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmesszelle sind das Messelement des innersten Bereichs und das Messelement des äußersten Bereiches jeweils Bestandteil verschiedener Messglieder. Dabei spielt es keine Rolle, zu welchem Messglied die Messelemente des zweitinnersten und des zweitäußersten Bereichs gehören. In dieser Ausführung befinden sich die Messelemente des ersten Messglieds im Bereich größter Verformung, weshalb dieses Messglied ein deutliches Nutzsignal generieren kann. Für das zweite Messglied, das an sich nur eine Referenzfunktion erfüllt, reicht es auch aus, dessen Messelemente an Positionen anzuordnen, wo ein weniger deutliches Signal generiert werden kann. Dafür ist die Membran an diesen Stellen robuster, d. h. sie ist nicht so anfällig gegenüber Druckspitzen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmesszelle sind alle Messelemente zumindest hinsichtlich des Materials identisch, d. h. alle Messelemente sind entweder als Dehnungsmessstreifen oder Widerstandspaste oder Piezoelement ausgeführt und idealerweise noch in gleicher Bauform. Dadurch sind Einflüsse thermischer Effekte geringer, da sie auf jedes Messelement gleichermaßen einwirken.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckmesszelle weist die Membran in zumindest einem der inneren Bereiche, vorzugsweise im innersten Bereich und zweitinnersten Bereich, eine geringere Dicke auf. Durch die dünnere Membran ergibt sich an dieser Stelle eine stärkere Verformung, was zu einem deutlicheren Nutzsignal führt. Zum anderen kann auf diese Weise eine Sollknickstelle für die Verformung realisiert werden, was die Positionierung der Messelemente erleichtert.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Auswerteschaltung für eine oben genannte Druckmesszelle mit einem aus ersten Messelementen gebildeten ersten Messglied, mit einer dem ersten Messglied nachgeschalteten Verstärkereinheit, mit einer der Verstärkereinheit nachgeschalteten Vergleichereinheit und mit einer der Vergleichereinheit nachgeschalteten Reglereinheit; mit einem aus zweiten Messelementen gebildeten zweiten Messglied, mit einer dem zweiten Messglied nachgeschalteten zweiten Verstärkereinheit, der der Vergleichereinheit nachgeschaltet ist, wobei beide Messglieder durch den am Messgerät anliegenden Druck unterschiedlich beeinflusst werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die ersten und die zweiten Messelemente auf einer gemeinsamen Membran der Druckmesszelle angeordnet. Wie bereits erläutert sind unter dem Begriff Messglied die eigentlichen Messaufnehmer, d. h. eine Widerstandsmessbrücke oder ein Spannungsteiler zu verstehen. Die Funktion der Vergleichereinheit besteht einerseits im Bilden einer – je nach Anwendung – Differenz oder eines Quotienten der beiden, aus den Verstärkereinheiten empfangenen Signale und das anschließende Vergleichen dieses Differenz- bzw. Quotientenbetrages mit einem definierten Bereich, gebildet aus einem oberen und einem unteren Schwellwert. Dies kann auf verschiedenem Weg realisiert werden. Bevorzugt werden hierfür Komparatoren, insbesondere Fensterkomparatoren eingesetzt. Denkbar ist aber auch, die Messsignale der Messglieder einem A/D-Wandler zuzuführen, um die Vergleichsfunktion von einem Mikroprozessor durchführen zu lassen. Auch könnte die Vergleichsfunktion von der nachgeschalteten Steuereinheit, bspw. einer SPS, durchgeführt werden. In dem Fall würden die verstärkten Messsignale direkt an die Steuereinheit weitergegeben. Der Begriff „Vergleichereinheit” im Zusammenhang mit der Auswerteschaltung erstreckt sich in diesem Fall auch auf den Teil einer Steuereinheit.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein elektronisches Druckmessgerät, bestehend aus einem Prozessanschluss, einem darauf aufgesetzten Gehäuse und einer Messzelle zur Erfassung des in einem Medium vorherrschenden Drucks. Die Messzelle ist dabei erfindungsgemäß in der zuvor beschrieben Weise ausgebildet. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das elektronische Druckmessgerät eine Auswerteschaltung in der oben beschriebenen Ausgestaltung.
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In einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur diagnosefähigen Druckerfassung, dass durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- – gleichzeitiges Erfassen des Drucks in einem ersten Messglied und in einem zweiten Messglied in Form im Wesentlichen vom Druck abhängiger Messsignale, wobei beide Messglieder Bestandteil einer zuvor beschriebenen Druckmesszelle sind,
- – Verstärken der Messsignale in eigenen, den jeweiligen Messgliedern zugeordneten Verstärkereinheiten, wobei durch Anwendung jeweils unterschiedlicher Verstärkungsfaktoren beide Kennlinien im Wesentlichen in Deckung gebracht werden,
- – Bildung der Differenz oder des Quotienten beider Signale,
- – Vergleichen des Differenz- bzw. Quotientenbetrags mit einem vorgegebenen oberen und/oder einem unteren Schwellwert,
- – Ausgabe eines Fehlersignals falls der Differenz- bzw. Quotientenbetrag die vorgegebenen Schwellwerte über- oder unterschreitet.
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Erfindungsgemäß erfassen beide Messglieder, die gemäß obiger Beschreibung auf derselben Membranoberfläche der Druckmesszelle befinden, den anliegenden Druck gleichzeitig. Das durch die Messglieder erzeugte jeweilige Messsignal ist deswegen „im Wesentlichen” vom Druck abhängig, weil auch andere Einflüsse, wie bspw. Temperatur und Materialeigenschaften mit hinein spielen können. Allerdings ist deren Einfluss gegenüber dem des Drucks erheblich geringer. Die erzeugten Messsignale sind vorzugsweise Spannungssignale, da sich aus einer Widerstandsmessbrücke auf einfache und bekannte Weise von den Widerstandsänderungen abhängige Spannungssignale erzeugen lassen. Denkbar sind allerdings auch bspw. Stromsignale.
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Aufgrund der unterschiedlichen Position der beiden Messglieder und der damit einhergehenden unterschiedlichen Messgenauigkeit sind deren Signalverläufe verschieden. In der Regel besteht zwischen dem einwirkenden Druck und der damit erzeugten Widerstandsänderungen bzw. der sich dadurch ergebende Spannung eine im Wesentlichen lineare Proportionalität, d. h. die Signalverläufe stellen sich nahezu als Gerade dar, wobei sich die unterschiedliche Messgenauigkeit in unterschiedlichen Anstiegen darstellt. Die Abweichungen von einer reinen Linearität ergeben sich wie bereits erwähnt z. B. durch Temperatureinflüsse, die sich aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften verschieden auswirken können. Das Verfahren sieht nun vor, dass diese beiden Messsignale durch angepasste Verstärkungsfaktoren im Wesentlichen in Deckung gebracht werden. Dies erfolgt zumeist beim ersten Einstellen des Messgeräts und bedarf in der Regel keiner weiteren Änderung mehr.
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Anschließend wird von beiden – korrigierten und in Deckung gebrachten – Messsignalen wahlweise die Differenz oder der Quotient gebildet. Die Differenz müsste nun im Wesentlichen Null und der Quotient im Wesentlichen Eins sein. Beim anschließenden Vergleichen mit einem oberen und/oder einem unteren Schwellwert wird eine Null bzw. eine Eins als zulässiger Wert erkannt. Ist es aber zu einer plastischen Verformung der Membran gekommen, wird dem eigentlichen Messwert ein Offset aufgeschlagen, dessen Betrag vom Grad der plastischen Verformung abhängt. Da die Verformungscharakteristik der Membran bei einer plastischen Verformung anderes ist als bei einer elastischen Verformung, ergeben sich bei beiden Messgliedern jeweils unterschiedliche Offset-Beträge, was dazu führt, dass die Differenz nunmehr derart von Null bzw. der Quotient von Eins abweicht, dass sich dieser Betrag außerhalb des zulässigen Bereichs bzw. Fensters bewegt. Wenn dies der Fall ist, wird als nächster Verfahrensschritt ein Fehlersignal ausgegeben. Dieses Fehlersignal kann entweder, wenn das Vergleichen in einer Steuereinheit erfolgt, gleich durch Ausgabe eines entsprechenden Warnsignals sein, oder gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zunächst an eine Reglereinheit, bspw. einen Stromregler, die dann ein Ausgangssignal erzeugt, das außerhalb eines definierten Bereichs liegt. Bei einem Stromregler, der im Normalbetrieb am Ausgang ein Signal von 4..20 mA ausgibt, könnte das Fehlersignal dann bspw. als Stromwert von ≤ 3,5 mA oder ≥ 20,5 mA ausgegeben werden. Dieses Signal könnte dann in einer bevorzugten Weiterbildung von der Reglereinheit an eine nachgeschaltete Steuereinheit gesendet werden. Diese kann dann vorgegebene Sicherheitsmaßnahmen einleiten, z. B. Ausgabe von optischen und/oder akustischen Warnsignalen oder Versetzen der von der Steuereinheit zu steuernden Anlage in einen stromlosen Zustand. Weitere Maßnahmen sind denkbar, so dass die Erfindung nicht auf die hier genannten beschränkt ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle,
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2 eine seitliche Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druckmesszelle und
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3 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Druckmessgeräts in 3-Leiter-Ausführung.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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1 stellte eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Druckmesszelle 1 dar. Nur zur Verdeutlichung sind mit gestrichelten Kreisen die vier Bereiche 1a, 1b, 1c, 1d gekennzeichnet. In natura sind diese Kreise nicht zu sehen. Zu erkennen sind die insgesamt acht Messelemente 3, 4, wobei sich die vier mittigen Messelemente 3 im inneren Bereich 1a und zweitinnersten Bereich 1b befinden, die beiden Messelemente 4a und Messelemente 4b im äußersten Bereich 1d bzw. zweitäußersten Bereich 1c. Für die Messelemente 3, 4 kommt grundsätzlich die Verwendung von Dehnungsmessstreifen oder Widerstandspaste oder Piezoelementen infrage. Dehnungsmessstreifen und Piezoelemente sind hinlänglich bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Ausführung. Piezoelemente arbeiten piezo-elektrisch und Widerstandspaste auf Basis eines piezo-resistiven Effekts. Die Widerstandspaste weist ein Bindemittel mit einem leitfähigen Pulver auf, dessen Konzentration ein Mail für den spezifischen Widerstand ist. Je nach Anwendungsfall erfolgt eine Auswahl der einzusetzenden Messelemente aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Alternativen, bspw. hinsichtlich Überlast- und Berstdruck-Festigkeit, Nenndruckbandbreite, Genauigkeit, Bauformgröße, Gewicht sowie Signalhub und nicht zuletzt auch die zu erwartenden Kosten.
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Die zwei mittigen Messelemente 3 im inneren Bereich 1a sind so angeordnet, dass sie aufgrund des geringsten Abstands zur Mitte der Messzelle 1 beim Anliegen eines Drucks eine Dehnung erfahren, weil die Membran 2 dem Druck durch Verformung nach oben nachgibt. Die Dehnung hat zur Folge, dass sich dann der Widerstandswert dieser Messelemente 3 im innersten Bereich 1a erhöht. Die anderen beiden Messelemente 3 der Widerstandsmessbrücke im zweitinnersten Bereich 1b sind so angeordnet, dass sie beim Anliegen eines Drucks gestaucht werden, was zur Folge hat, dass sich ihre Widerstandswerte verringern würden. Durch die gegenläufige Widerstandsänderung lässt sich mit Hilfe einer Widerstandsmessbrücke, beispielsweise als Wheatstonesche Messbrücke, ein deutliches Nutzsignal in Form einer elektrischen Spannung erzeugen, das in einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit als Maß für den anliegenden Druck weiter verarbeiten wird. Diese Ausführung kommt bevorzugt zum Einsatz, wenn die Membran 2 in den inneren beiden Bereichen 1a, 1b dünner ausgeführt ist. Dadurch wird die Membran 2 beim Druckeinfluss an dieser Stelle besonders verformt.
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Aus den Widerständen 4, 4a, 4b der äußeren beiden Bereiche 1c, 1d, die ebenfalls als Messbrücke verschaltet sind, lässt sich ein wesentlich überdruckunempfindlicheres Signal erzeugen, das zwar nicht so genau ist wie jenes der Messbrücke aus den Widerständen 3, aber ausreichend genau ist, um über Vergleich der beiden Messbrücken-Signale eine Offset-Spannung zu detektieren. Näheres dazu wird nachfolgend im Zusammenhang mit der Beschreibung von 3 ausgeführt.
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Als weitere, hier nicht gezeigte Ausführungsform können die das erste Messglied bildenden Messelemente 3 auch auf den innersten Bereich 1a und den zweitäußersten Bereich 1c angeordnet sein. Dementsprechend befinden sich die anderen Messelemente 4a, 4b im zweitinnersten Bereich 1b und äußersten Bereich 1d. Diese Ausführung kommt bevorzugt zum Einsatz, wenn die Membran 2 in den inneren beiden Bereichen 1a, 1b nicht dünner ausgeführt ist, sondern die gleiche Dicke aufweist, wie im Bereich 1c. In diesem Fall würde ebenfalls der Bereich 1a eine Dehnung erfahren, aber nunmehr die Stauchung im Bereich 1c erfolgen. Der Bereich 1b hingegen erfährt im Wesentlichen eine Streckung in Längsrichtung, d. h. keine Durchbiegung, da sich in diesem Bereich der Wendepunkt zwischen der konvexen und konkaven Verformung der Membran 2 befindet. Die Streckung eines Messelements bedeutet ebenfalls eine Erhöhung seines Widerstandswerts. Der äußerste Bereich 1d erfährt dabei eine geringe Stauchung, so dass eine ebenfalls gegenläufige Widerstandsänderung der Messelemente 4 in den beiden Bereichen 1b, 1d realisiert ist. Als dritte, hier ebenfalls nicht gezeigte Möglichkeit bietet sich grundsätzlich auch an, die Messelemente 3 auf den innersten Bereich 1a und den äußersten Bereich 1d zu verteilen und die Messelemente 4 in den Bereichen 1b, 1c anzuordnen. Der Messsignalunterschied ist dann aber wesentlich undeutlicher, so dass diese Ausführungsform weniger diagnosefähig ist.
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Deutlicher wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 1 durch das seitliche Schnittbild aus 2. Deutlich zu erkennen ist der Profilverlauf der Membran 2 bzw. der Druckmesszelle 1. Im Wesentlichen kann sie in vier Bereiche 1a, 1b, 1c, 1d unterteilt werden, wobei die sich mittig befindlichen Bereiche 1a, 1b – auch als Nutzbereich bezeichnet – die geringste Dicke aufweist und die dort angeordneten Widerstände 3 die „eigentliche” Messbrücke bilden. Beim Anliegen eines Druckes wird dieser Teil der Membran 2 nach oben angehoben, so dass die zwei näher zur Mitte der Messzelle 1 angeordneten Messelemente 3 eine Dehnung und die zwei im Bereich 1b befindlichen Messelemente 3 eine Stauchung erfahren.
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Mit Hilfe einer Widerstandsmessbrücke, zu der die vier Messelemente verschaltet sind, kann somit ein zum anliegenden Druck korrespondierendes Messsignal erzeugt werden.
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Konzentrisch zu dem inneren Bereich 1a befindet sich ein Knickbereich 1c als Übergang zwischen dem starren, nur unwesentlich verformbaren Bereich 1d und dem Nutzbereich. In dem äußeren Bereich 1d der Membran 2 bzw. der Messzelle 1 ist die Dicke der Messzelle so groß, dass ein anliegender Druck nur geringen Einfluss auf eine Veränderung der Membranoberfläche hat. Das sich in diesem Bereich 1d befindliche Widerstandselement 4a ist somit nur gering vom Druck abhängig und hat daher beim Anliegen eines Drucks auch nur eine geringe Widerstandsänderung. Sollte nun der Fall eintreten, dass bspw. durch eine Überdruckspitze oder auch während statischem Überdruck der Nutzbereich 1a plastisch verformt ist, würden die Messelemente 3 ein dauerhaftes Messsignal bzw. eine um eine Offset-Spannung erhöhtes Messsignal erzeugen. Dieses Messsignal stimmt nun nicht mehr mit dem tatsächlich anliegenden Druck überein. Abhängig davon, wie groß die Überdruckspitze war, beschränkt sich die plastische Verformung nur auf den Nutzbereich oder erstreckt sich sogar auf die äußeren beiden Bereiche 1c, 1d. In jedem Fall ist aber der Grad der plastischen Verformung zwischen den inneren Bereichen 1a, 1b und den äußeren Bereichen 1c, 1d verschieden und unterscheidet sich insbesondere auch bezüglich des Verhaltens bei elastischer Verformung.
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Dargestellt ist in 3 schematisch, in Form eines Blockschaltbildes, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts mit drei Anschlüssen 10, 11, 12. Zu dem dargestellten Druckmessgerät gehören zunächst eine Widerstandsmessbrücke 13 als Messwertaufnehmer mit den hier nicht näher bezeichneten Widerstandselementen 3, eine parallel dazu angeordnete zweite Widerstandsmessbrücke 14 mit den hier nicht näher bezeichneten Widerstandselementen 4a und 4b. In der Messbrücke 14 sind zwei Widerstände als konstant dargestellt, was lediglich ein Ausführungsbeispiel ist. Gemeint sind hierbei die sich im äußersten Rand 1d befindlichen Messelemente 4a, die konstant oder nur gering variierend sind, da die Verformung dieses Bereichs 1d nicht sehr groß ist.
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Den beiden Widerstandsmessbrücken 13, 14 nachgeschaltet befindet sich jeweils eine Verstärkereinheit 15 und 16, die ihre Ausgangssignale an einen nachgeschalteten Komparator 17, vorzugsweise Fensterkomparator, weitergeben. Der Komparator 17 gibt sein Ausgangssignal an einen Stromregler 19 weiter, der außerdem das Messsignal der Widerstandsmessbrücke 13 aus der Verstärkereinheit 15 empfängt. Der Komparator 17 stellt hier nur eine bevorzugte Ausführungsform dar. Durch den gestrichelten Kasten soll eine allgemeine Vergleichereinheit gekennzeichnet sein, da die dargestellte Vergleichereinheit – und damit die Verstärkereinheiten 15, 16 sowie der Komparator 17 – auch durch einen Mikroprozessor ersetzt werden kann. Auch können die Analogsignale aus den beiden Verstärkern 15, 16 auch direkt einer Steuereinheit, z. B. einer Speicherprogrammierbare Steuerung – SPS – zugeführt werden. Die Erfindung ist somit nicht auf das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann insbesondere hinsichtlich der Vergleichsfunktion auch anders ausgeführt werden.
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Wie die 3 zeigt, ist bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckmessgeräts eingangsseitig die Versorgungsspannung der Widerstandsmessbrücken 13, 14, der Verstärkereinheiten 15, 16 und des Komparators 17 regelnder und begrenzender Längsregler 18 vorgesehen. Wenn die Versorgungsspannung bereits geregelt zugeführt wird, kann auf den Spannungsregler 18 bei der hier dargestellte 3-Leiter-Ausführung auch verzichtet werden.
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Der Stromregler 19 liefert im Normalfall einen Strom von 4..20 mA. Wenn der Stromregler 19 über den Komparator 17 einen Fehlerfall gemeldet bekommt, gibt er über den Anschluss 11 einen Stromwert aus, der wahlweise zwischen 0 und 3,5 mA oder größer als 20,5 mA entspricht. Dies wird dann von einer nachgeschalteten, hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit als Fehlerfall erkannt und entsprechende Maßnahmen eingeleitet. Diese Maßnahmen können je nach Sicherheitsstufe der betriebenen Anlage beispielsweise die Ausgabe einer entsprechenden visuellen und/oder akustischen Warnmeldung oder aber auch das Überführen der gesamten Anlage in den sicheren, d. h. stromlosen Zustand sein. Weitere Maßnahmen sind denkbar, so dass die Erfindung nicht auf die hier genannten beschränkt ist.
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Das erfindungsgemäße Druckmessgerät lässt sich selbstverständlich auch in 2-Leiter-Ausführung aufbauen. In diesem Fall entfällt der Anschluss 11, ansonsten ist der grundsätzliche Aufbau identisch. Zwingend erforderlich ist in diesem Fall der Spannungsregler 18. Darüber hinaus müsste der Stromregler 19 anders aufgebaut sein, da eine Reduzierung des Stromwertes auf 0 mA nicht zulässig ist. Vorzugsweise gibt der Stromregler 19 im Fehlerfall dann ein Stromsignal von ≤ 3,5 mA oder ≥ 20,5 mA weiter. Stromwerte in diesen Bereichen, d. h. außerhalb des zulässigen Bereichs von 4..20 mA, werden von der nachgeschalteten, hier nicht dargestellten Auswerteeinheit als Fehler interpretiert.
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Alternativ zu der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform mit jeweils zwei Widerstandselementen 4a, 4b in den äußeren Bereichen 1b, 1c kann die Anzahl der Widerstandselemente auch auf jeweils eins reduziert werden. In diesem Fall würde das eine Widerstandselement 4a und das eine Widerstandselement 4b einen Spannungsteiler bilden. Allerdings ist im Gegensatz zu der beschriebenen Ausführungsform mit jeweils zwei Widerstandselementen der Signalhub des Referenzsignals um die Hälfte geringer. Fehlerfälle, mit nur geringem Signalunterschied ließen sich dann schlechter erkennen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 1 bzw. des Messgeräts lassen sich so zusammenfassen, dass auf einfache Weise und ohne dass zwei separate Messgeräte oder zumindest zwei separate Messzellen vorgesehen sein müssen, ein Erkennen einer dauerhaften, irreversiblen, d. h. plastischen Verformungen der Membranoberfläche möglich ist.
