-
Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit einer Messkammer, die durch eine Trennmembran von einem zu messenden Prozessmedium getrennt und zur Weiterleitung des Drucks zu einem Drucksensor und zu einer Überlastmembran mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt ist, wobei die Überlastmembran zwischen der Messkammer und einer Referenzkammer angeordnet ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein derartiger Drucksensor ist bereits aus der
DE 103 42 368 A1 bekannt. Dort ist ein Druckmessumformer mit einem Gehäuse offenbart, in welchem eine Überlastmembran angeordnet ist, die einen Gehäuseinnenraum in eine Messkammer und eine Referenzkammer unterteilt. Jede Kammer ist mit einem Druckkanal versehen, der zu einer Trennmembran führt. Die Trennmembranen trennen die Messkammer bzw. die Referenzkammer von einem Prozessmedium. Die beiden Kammern sind mit einer Druckübertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Silikonöl, gefüllt. Zur Erzeugung eines elektrischen Messsignals, das sich in Abhängigkeit der anliegenden Druckdifferenz ändert, kann die Überlastmembran einen Drucksensor tragen, der beispielsweise aus Silizium ausgeführt und mit Dehnungswiderständen versehen ist. Durch eine Einrichtung zur Auswertung des Messsignals kann aus dem elektrischen Messsignal ein Messwert erzeugt und ausgegeben werden.
-
Beim Einsatz von Druckmessumformern in prozesstechnischen Anlagen kann es vorkommen, dass eine Trennmembran durch das Prozessmedium chemisch angegriffen oder mechanisch beschädigt wird. Wenn ein Loch in der Membran entsteht, tritt das Prozessmedium in die Messkammer oder die Referenzkammer ein und gelangt zum Drucksensor, der empfindlich auf das Prozessmedium reagiert. Bevor ein Totalausfall auftritt, kann es während einer Übergangszeit zu fehlerhaften Messwerten kommen, die der Anwender nicht bemerkt. Dies kann in einer prozesstechnischen Anlage schwerwiegende Folgen haben.
-
Zu ähnlichen Fehlmessungen kann es kommen, wenn die Überlastmembran einem zu starken oder zu lange anhaltenden Überdruck ausgesetzt wird. Im Normalfall legt sich bei Überdruck eine Trennmembran auf ihr Membranbett und verschließt dabei den jeweiligen Druckkanal. Dies führt zu einer Begrenzung des innerhalb der Messkammer verschiebbaren Volumens der Druckübertragungsflüssigkeit. Dadurch werden die Durchbiegung der Überlastmembran sowie der an dem Drucksensor anliegende Maximaldruck begrenzt. Tritt ein Fehlerfall, beispielsweise eine Leckage der Trennmembran auf, so können sich das maximale Verschiebevolumen und somit die größtmögliche Durchbiegung der Überlastmembran verändern.
-
Bisher war durch den Messumformer selbst eine vorausschauende Diagnose mit Ausfallvorwarnung für die Überlastmembran nicht möglich. Der Anwender musste sich regelmäßige Zeiten definieren, zu welchen er Wartungen am Messumformer vornimmt. In vielen Fällen wurden Druckmessumformer nach einer empirisch ermittelten Anzahl von Betriebsstunden ausgetauscht, um nicht das Risiko eines Ausfalls und eines damit verbundenen Anlagenstillstands eingehen zu müssen. Je nach Größe der Anlage und Anzahl der Messstellen mussten somit entsprechend viele Messumformer auf Lager gehalten werden. Dies war mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden.
-
Damit eine Überwachung des Zustands einer Trennmembran bereits ohne Ausbau des Druckmessumformers ermöglicht wird, ist aus der eingangs genannten
DE 103 42 368 A1 bekannt, die Messkammer mit Mitteln zu versehen, durch welche ihr Volumen entsprechend einem im Wesentlichen vorbestimmten zeitlichen Verlauf veränderbar ist. Ein sich daraufhin einstellender Verlauf des Messsignals wird mit einem Referenzverlauf verglichen und bei erheblichen Abweichungen auf einen Membranfehler geschlossen. Als Mittel zur Veränderung des Messkammervolumens ist ein piezoelektrisches Element angeführt, welches sich an der Gehäusewand befindet und welches somit dem in der Messkammer herrschenden statischen Druck ausgesetzt ist. Bei hohem statischem Druck kann daher die Veränderung des Messkammervolumens erheblich erschwert oder sogar unmöglich gemacht werden. Die Durchführung einer Membrandiagnose ist somit bei dem bekannten Druckmessumformer stark abhängig von den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere von dem statischen Druck.
-
Aus dem Aufsatz „Adaptronic – wenn Material aktiv wird" von Franz Miller, veröffentlicht im Fraunhofer Magazin 2.2003, Seiten 8 bis 13, sind aus Piezokeramikfasern bestehende Sensoren bekannt, die zur Überwachung sensibler Bauteile, wie zum Beispiel von Leitwerken von Flugzeugen oder von Maschinenkomponenten, einsetzbar sind. Die Piezofasern werden in Verbundwerkstoffe eingebettet und bei ihrer Applikation elektrisch angesteuert. Sie können nicht nur als Sensor sondern auch als Aktor dienen, da sie auf eine angelegte Spannung reagieren. Damit können vergleichsweise dünne piezokeramische Sensoren realisiert werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu schaffen, der eine vergleichsweise einfache Möglichkeit zur Überwachung des Zustands einer oder mehrerer Membranen des Druckmessumformers bietet.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine Erfassung und Auswertung einer Membrandurchbiegung der Zustand der verschiedenen Membranen in einem Druckmessumformer in besonders einfacher Weise diagnostiziert werden kann. Tritt beispielsweise ein Riss in einer Trennmembran auf, durch welchen Prozessmedium oder Druckübertragungsflüssigkeit hindurch treten kann, so erfährt die Trennmembran bei Druckschwankungen eine geringere Durchbiegung, lässt jedoch aufgrund der nun fehlenden Begrenzung des maximalen Verschiebevolumens eine größere Durchbiegung der Überlastmembran zu. Durch Erfassung und Auswertung der Durchbiegung zumindest einer der Membranen kann somit der Fehlerzustand detektiert werden.
-
Die Mittel zur Erzeugung eines Überwachungssignals in Abhängigkeit der jeweiligen Membrandurchbiegung können selbst dann noch ein auswertbares Signal liefern, wenn der eigentliche Drucksensor den Maximaldruck und damit die Begrenzung seines Messbereichs erreicht hat. Dadurch kann auch der Übergangsbereich vom zulässigen Maximaldruck des Drucksensors bis zu einem unzulässigen Überdruck der Überlastmembran in die Überwachung einbezogen werden. Es sind somit auch Belastungszustände erfassbar, die außerhalb des Messbereichs des Drucksensors liegen. In vorteilhafter Weise können auch Veränderungen oder eine Zerstörung an Membranen erkannt werden, zu welchen es insbesondere dann kommen kann, wenn ein Überdruck zu stark ist oder über einen zu langen Zeitraum besteht. Eine unzulässige Beanspruchung der Überlastmembran kann beispielsweise dann entstehen, wenn aufgrund einer Leckage von zumindest einer Trennmembran das Überlastsystem gestört ist. Verändert sich nämlich aufgrund der Leckage das maximale Verschiebevolumen beispielsweise innerhalb der Messkammer, so kommt die Trennmembran bei anderen Druckverhältnissen zum Anliegen auf ihrem Membranbett und der Druckkanal wird unter Umständen erst bei einem höheren Druckwert als ursprünglich vorgesehen verschlossen. Allein durch den Drucksensor, der bereits außerhalb seines Messbereichs betrieben wird, war bisher eine derartige Überlastung der Überlastmembran nicht detektierbar.
-
Wenn die Membran selbst aus einem Verbundwerkstoff gefertigt ist, können die Mittel zur Erzeugung des Überwachungssignals durch in diesen eingebaute Piezofasern realisiert werden. Da wegen des vergleichsweise geringen Herstellungsaufwands meist jedoch ein metallischer Werkstoff für die Membranherstellung genutzt wird, kann mit Vorteil als Mittel zur Erzeugung des Überwachungssignals ein piezoelektrischer Flächenwandler auf der betreffenden Membran appliziert werden. Diese arbeiten vergleichsweise zuverlässig auf der Basis eines hinreichend bekannten und erprobten physikalisch-elektrischen Prinzips, bei welchem dieselben Mittel umgekehrt zur Erzeugung einer Rückstellkraft durch Anlegen einer geeigneten Spannung verwendet werden können. Somit kann zudem mit denselben Mitteln einer unzulässig hohen Durchbiegung der Membran entgegengewirkt werden.
-
Vorzugsweise wird der piezoelektrische Flächenwandler aus einem piezoelektrischen Verbundwerkstoff gefertigt, der aus piezokeramischen Fasern besteht, die zwischen Elektroden angeordnet und in eine Polymermatrix eingebettet sind.
-
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Mittel zur Erzeugung des Überwachungssignals an der Überlastmembran angebracht und die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, das Überwachungssignal mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen Referenzwert, welcher die Grenzbelastung zwischen einer zulässigen und einer unzulässigen Überlast markiert, zu vergleichen und bei dessen Überschreiten ein Signal zur Anzeige einer unzulässigen Belastung der Überlastmembran auszugeben. Der Referenzwert kann typspezifisch vorbestimmt und in einem Speicher der Auswerteeinrichtung hinterlegt sein oder durch Bedieneingabe als anwendungsspezifischer Parameter vorgegeben werden.
-
Alternativ oder ergänzend dazu können zwei Trennmembrane jeweils mit Mitteln versehen sein, durch welche je ein Überwachungssignal in Abhängigkeit der jeweiligen Durchbiegung erzeugbar ist. In diesem Fall wird durch die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses der beiden Überwachungssignale ein Signal zur Anzeige des Zustands der Trennmembranen ausgegeben. Insbesondere bei einem Differenzdruckmessumformer führt eine Verschiebung des Volumens in der Messkammer und der Referenzkammer im fehlerfreien Zustand zu einander entsprechenden Durchbiegungen der beiden Trennmembranen. Tritt jedoch eine Leckage an einer der beiden Trennmembranen auf, die das in der jeweiligen Kammer befindliche Volumen verändert, so bewirkt dies eine asymmetrische Durchbiegung der beiden Trennmembranen, die in vorteilhafter Weise bei dieser Ausgestaltung der Erfindung durch einen Vergleich der beiden Überwachungssignale detektierbar ist.
-
Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung in der Lage, die Mittel zur Erzeugung des Überwachungssignals oder zusätzliche Mittel derart anzusteuern, dass eine die Durchbiegung der jeweiligen Membran beeinflussende Kraft erzeugt werden kann. Das hat den Vorteil, dass im Moment einer zu großen Druckbelastung beispielsweise ein piezoelektrischer Flächenwandler derart elektrisch angesteuert werden kann, dass er einer weiteren Durchbiegung entgegenwirkt. Selbstverständlich ist es alternativ möglich, einen gesonderten Flächenwandler für die Funktion des Aktors auf der Membran zu applizieren. Je nach Ausgestaltung des Flächenwandlers kann dieser ein Biegemoment um eine oder um zwei Achsen erzeugen, welches sich dem auf die Membran wirkenden Druck entgegenstellt. Dabei kann zudem die Höhe der erforderlichen Spannung als ein Maß für die Druckbelastung der Membran herangezogen werden. In vorteilhafter Weise kann somit die Überlastdiagnose mit einer Maßnahme zum Selbstschutz kombiniert werden.
-
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
-
In der einzigen Figur ist ein Druckmessumformer 1 mit längsgeschnittener Druckmesszelle in einer Prinzipdarstellung gezeichnet. Der Druckmessumformer 1 weist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Innengehäuse 2 mit einer zentralen Ausdehnung auf, die durch eine Überlastmembran 3 in eine Referenzkammer 4 und eine Messkammer 5 unterteilt ist. Die Überlastmembran 3 trägt einen Drucksensor 6, der ein Messsignal 8 an eine Auswerteeinrichtung 7 abgibt. Zum Schutz des Drucksensors 6 vor Überlast und chemischen Einflüssen dienen zwei Trennmembranen 9 und 10. Die Trennmembran 9 begrenzt eine Referenzdruckkammer 11, die durch eine Ausnehmung in einer Kappe 12 realisiert ist. Die Trennmembran 10 trennt die Messkammer 5 von einem Messmedium, das mit dem zu messenden Druck durch einen Einlass 13 in eine Messdruckkammer 14, die sich in einer Kappe 15 befindet, zugeführt wird. Die Referenzkammer 4 und die Messkammer 5 sind mit einer exakt bemessenen Menge eines Silikonöls befüllt. Messwerte des zu messenden Drucks, die von der Auswerteeinrichtung 7 in Abhängigkeit des Messsignals 8 berechnet werden, zeigt der Druckmessumformer 1 durch ein Anzeigesignal 17, beispielsweise über einen Feldbus, einer übergeordneten Leitstation an, die in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist.
-
Wichtige Funktionselemente eines Systems zum Schutz des Drucksensors 6 vor Überlast sind die beiden Trennmembranen 9 und 10 sowie die Überlastmembran 3. Tritt beispielsweise in der Messdruckkammer 14 ein sehr hoher Druck auf, so wird die Trennmembran 10 auf ihr Membranbett gedrückt und entsprechend die Trennmembran 9 von ihrem Membranbett wegbewegt. Auch die Überlastmembran 3 erfährt eine dem dabei verschobenen Volumen der Druckübertragungsflüssigkeit entsprechende Durchbiegung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Durchbiegungen der Überlastmembran 3, der Trennmembran 9 und der Trennmembran 10 durch auf den Membranen applizierte piezoelektrische Flächenwandler 18, 19 bzw. 20 erfasst, durch welche Überwachungssignale 21, 22 bzw. 23 erzeugt und an die Auswerteeinrichtung 7 zur Ermittelung des jeweiligen Belastungszustands weitergegeben werden. Zur deutlicheren Sichtbarkeit sind die Flächenwandler 18, 19 und 20 mit erheblich vergrößerter Dicke gezeichnet. Tritt beispielsweise in der Trennmembran 10 ein Riss oder eine sonstige Leckage auf, so führt dies bei Überdruck in der Messdruckkammer 14 zum Eindringen von Prozessmedium in die Messkammer 5 und somit zu einer Erhöhung des in der Messkammer 5 befindlichen Volumens. Dadurch wird eine asymmetrische Durchbiegung der Trennmembranen 9 und 10 bewirkt, die durch Vergleich der Überwachungssignale 22 und 23 mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 7 detektiert und als Fehlerzustand mit Hilfe des Signals 17 angezeigt wird. Weiterhin verursacht die Vergrößerung des Volumens in der Messkammer 5 eine Erhöhung der maximalen Durchbiegung der Überlastmembran 3, die mit Hilfe des vom Flächenwandler 18 gelieferten Überwachungssignals 21 durch die Auswerteeinrichtung 7 ebenfalls erkannt und als Fehlerzustand angezeigt wird. Die dabei herrschende Druckdifferenz zwischen der Referenzkammer 4 und der Messkammer 5 liegt außerhalb des Messbereichs des Drucksensors 6, so dass alleine anhand des Messsignals 8 der Zustand der Überlastmembran 3 nicht mehr beurteilt werden könnte.
-
Einer allzu hohen Durchbiegung der Überlastmembran 3 wird entgegengewirkt, indem durch die Auswerteeinrichtung 7 ein geeignetes Spannungssignal zur Rückstellung der Durchbiegung an den piezoelektrischen Flächenwandler 18 angelegt wird. Anhand des Ausführungsbeispiels wird die Erfindung unter Anwendung von drei piezoelektrischen Flächenwandlern 18 ... 20 auf jeweils einer Membran 3, 9 bzw. 10 erläutert. Selbstverständlich ist es abweichend von dieser Ausführungsform möglich, auf einen oder zwei der Flächenwandler 18 ... 20 unter Einschränkung der Diagnosemöglichkeiten zu verzichten oder auf einer oder mehreren der Membranen 3, 9 und 10 zur weiteren Verbesserung der Diagnosemöglichkeiten oder der Möglichkeiten zur aktiven Einflussnahme mehrere piezoelektrische Flächenwandler zu applizieren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10342368 A1 [0002, 0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „Adaptronic – wenn Material aktiv wird” von Franz Miller, veröffentlicht im Fraunhofer Magazin 2.2003, Seiten 8 bis 13 [0007]
