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Die Erfindung betrifft einen Messumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Automatisierungstechnik werden häufig Feldgeräte zur Prozessinstrumentierung eingesetzt, die beispielsweise zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen dienen und durch ein Automatisierungsnetzwerk, insbesondere mit einem Feldbus, zum Austausch von Daten miteinander verbunden sind. Feldgeräte, die eine physikalische oder chemische Größe als Prozessvariable erfassen, werden häufig als Messumformer bezeichnet, da sie die jeweilige Größe in einen Messwert umformen und diesen beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation oder als Istwert an einen Regler zur weiteren Verarbeitung ausgeben. Als Beispiele seien Messumformer für Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Fließgeschwindigkeit, Füllstand, Dichte, pH-Wert, Leitfähigkeit oder Gaskonzentration eines Mediums genannt.
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Aus der
DE 10 2006 024 742 A1 ist ein modular aufgebauter Messumformer zur magnetisch induktiven Durchflussmessung bekannt. Dieser umfasst einen Aufnehmer zur Erfassung der Fließgeschwindigkeit eines durch ein Messrohr strömenden Mediums und zur Erzeugung eines entsprechenden Messsignals. Analoge Komponenten für die Erfassung der physikalischen Größe und zu deren Wandlung in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal sowie elektronische Komponenten zur Erzeugung eines digitalen Messsignals sind in einem Aufnehmergehäuse zusammengefasst. Eine Signalvorverarbeitung findet somit in einer sensornahen Elektronikeinheit statt und es ist keine Übertragung analoger Signale über längere Verbindungsleitungen nötig. Damit ist die Empfindlichkeit des Messumformers gegenüber Störungen von außen, die analoge Signale verfälschen könnten, vergleichsweise gering und es wird eine gute Messgenauigkeit erreicht. Eine Auswerteeinrichtung, die in einem vom Gehäuse des Aufnehmers gesonderten Gehäuse untergebracht ist, dient zur weiteren Auswertung des Messsignals, beispielsweise zu dessen Linearisierung, zur Durchführung von Überwachungs- und Diagnosefunktionen und zur Messwertübertragung. Die Auswerteeinrichtung berechnet also in Abhängigkeit des Messsignals einen Messwert für die Fließgeschwindigkeit und gibt diesen über die Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation oder einen Regler zur Durchflussregelung, zur weiteren Verarbeitung aus. Aufnehmer und Auswerteeinheit werden häufig auch als Sensor bzw. Transmitter bezeichnet, wobei davon abweichend im Zusammenhang mit dieser Anmeldung lediglich die Komponente, welche zur Wandlung der physikalischen oder chemischen Größe in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal dient, unter dem Begriff „Sensor“ verstanden werden soll.
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Feldgeräte der Prozessinstrumentierung sind häufig für einen Einsatz in einem Umgebungstemperaturbereich von –40 bis +85 °C zugelassen, wobei dies das komplette Gerät mit Aufnehmer und Auswerteeinrichtung einschließt. Darüber hinaus gibt es Messumformer, bei denen lediglich der Aufnehmer für einen erweiterten Temperaturbereich zugelassen ist. Beispielsweise sind Aufnehmer für Druckmessumformer, die eine mit Öl als Druckübertragungsmedium befüllte Druckmesszelle besitzen, häufig für einen Einsatzbereich bis +100 °C zugelassen. Diese Grenze ist einerseits durch die Qualität des Silikonöls, in welchem durch Ausgasen zuvor gelöster Gase bei höheren Temperaturen unerwünschte Blasen entstehen können, andererseits durch den verwendeten Sensor und dessen sensornahe Elektronik begründet.
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Bei bestimmten Anwendungen ist die Temperatur des Prozessmediums jedoch so hoch, dass eine Montage beispielsweise eines Drucksensors in direkter Nähe des Prozessmediums den Sensor zerstören oder zumindest die Messgenauigkeit reduzieren würde. Um dennoch eine Messung zu ermöglichen, ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 060 647 B4 der Einsatz eines Druckmittlers zwischen Prozessanschluss und Sensor bekannt. Zwischen dem Prozessanschluss, der dort als Fernprozessdichtungseinheit bezeichnet wird, und dem Sensor befindet sich ein langes, mit einem hochwertigen Fluid als Druckübertragungsmedium gefülltes Kapillarrohr, welches die Druckmessstelle mit dem heißen Prozessmedium vom Aufnehmer räumlich trennt. Der Druck wird somit über eine längere Distanz mittels des inkompressiblen Fluids übertragen. Nachteilig ist jedoch weiterhin eine eventuelle Ungenauigkeit wegen unerwünschter Blasenbildung im Fluid sowie eine gewisse Verfälschung des Druckmesswerts, die aufgrund der verbleibenden, variablen Kompressibilität durch beispielsweise sorbierte Gaseinschlüsse, Massenträgheit und der Viskosität des Füllfluids entstehen kann. Zudem ist der Einsatz eines derartigen Druckmittlers mit einem erheblichen Zusatzaufwand verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zu schaffen, der sich in einem weiten Temperaturbereich durch eine gute Genauigkeit 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 Anspruch 2 ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung beschrieben.
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Die Erfindung hat insbesondere bei hohen Temperaturen eines Prozessmediums, an welchem eine physikalische oder chemische Größe erfasst werden soll, den Vorteil, dass Sensor und sensornahe Elektronikeinheit thermisch voneinander getrennt und somit nicht derselben hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind. Dabei ist weiterhin eine enge Kopplung des Sensors an das Prozessmedium möglich, so dass eine Verfälschung der Größe auf dem Übertragungsweg vom Medium zum Sensor hin weitgehend vermieden werden kann. Beispielsweise bei einer Temperaturmessung über thermischen Kontakt sind eine ausreichende Wärmeleitung und die Nähe zwischen Sensor und Prozessmedium von grundsätzlicher Bedeutung. Aber auch bei der Messung anderer physikalischer oder chemischer Größen, wie beispielsweise bei der oben erläuterten Druckmessung, trägt ein kurzer Übertragungsweg erheblich zur Verbesserung der Genauigkeit bei. Es sind Drucksensoren verfügbar, die bauartbedingt wesentlich höheren Prozesstemperaturen, beispielsweise 200 °C und mehr, widerstehen können. Diese sind beispielsweise in der so genannten Silicon-on-Insulator(SOI)-Technik oder auf keramischer Basis realisiert. Teilweise kommen diese ohne ölgefüllte Messzelle aus, so dass der zu messende Druck direkt auf die Hochtemperatur-Druckmesszelle wirkt.
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Aufgrund ihrer thermischen Isolierung gegenüber dem Sensor kann die sensornahe Elektronikeinheit des Aufnehmers vergleichsweise dicht bei dem Sensor angeordnet werden. Ein durch den Sensor erzeugtes, weiterverarbeitbares elektrisches Signal muss daher in vorteilhafter Weise über keine größere Distanz zu der Elektronikeinheit übertragen werden, die eine Vorverarbeitung des elektrischen Signals übernimmt. Wegen der somit kurzen Leitungen zwischen Sensor und sensornaher Elektronikeinheit werden Störungseinkopplungen beispielsweise aufgrund von parasitären Kapazitäten oder Streuinduktivitäten und damit ein Rauschen im elektrischen Signal verringert.
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Die sensornahe Elektronikeinheit, die üblicherweise auch empfindliche Analogschaltungen enthält, wird in vorteilhafter Weise durch ein Wärmerohr, häufig auch als „Heatpipe“ bezeichnet, besonders effektiv gekühlt. Die Temperatur der sensornahen Elektronikeinheit ist dabei im Wesentlichen von der Umgebungstemperatur abhängig, die üblicherweise deutlich niedriger als die Temperatur des Prozessmediums ist. Dies ist selbst bei nur moderat erhöhter Temperatur des Sensors von Vorteil, da sich grundsätzlich eine niedrigere Temperatur der zur Signalvorverarbeitung eingesetzten Elektronikeinheit vorteilhaft auf eine Verringerung des Messrauschens auswirkt. Die Verwendung eines Wärmerohrs zur Entwärmung der sensornahen Elektronikeinheit hat dabei den Vorteil, dass dieses ein passives Wärmetransportsystem darstellt, bei welchem der Wärmetransport einzig durch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke angetrieben wird, und dass die Einbaulage des Wärmerohrs, in welchem die Verdampfungswärme eines Stoffes zur Entwärmung genutzt wird, bei der korrekten Auslegung des Wärmerohres quasi keinen Einfluss auf die übertragbare thermische Leistung hat. Die Verwendung eines geeigneten Wärmerohrs ist in vorteilhafter Weise mit einem vergleichsweise geringen Zusatzaufwand verbunden.
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Prinzipiell ist es möglich, als Wärmesenke einen gesonderten Kühlkörper zu verwenden, der die von der sensornahen Elektronikeinheit abgeführte Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Der Aufwand für den zusätzlichen Kühlkörper kann jedoch mit Vorteil entfallen, wenn die Wärmesenke durch das Gehäuse der Auswerteeinrichtung gebildet ist. Das Gehäuse der Auswerteeinrichtung ist nämlich bei einer vergleichsweise geringen thermischen Kopplung zwischen Gehäuse des Aufnehmers und Gehäuse der Auswerteeinrichtung nicht der hohen Temperatur des Prozessmediums, sondern nur der Umgebungstemperatur ausgesetzt, die meist deutlich niedriger ist. Sowohl die sensornahe Elektronikeinheit im Aufnehmer als auch die in der Auswerteeinrichtung befindliche Elektronik des Messumformers werden somit auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau der Umgebung gehalten, wodurch ein dauerhafter und zuverlässiger Betrieb des Messumformers mit guter Genauigkeit gewährleistet werden kann.
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Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
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Gemäß der Figur ist ein Messumformer 1 modular aufgebaut und besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Aufnehmer 2 und einer Auswerteeinrichtung 3, die durch eine Schnittstelle 4 zur Übertragung eines Messsignals 5 miteinander verbunden sind. Mit einem Prozessanschluss 6 ist der Aufnehmer 2 des Messumformers 1 in dessen Betrieb beispielsweise auf eine Rohrleitung aufgesetzt, welche ein Prozessmedium führt, an welchem eine physikalische oder chemische Größe, beispielsweise ein Druck P, erfasst werden soll. Zur Wandlung des Drucks P in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal 7 ist innerhalb eines Gehäuses 8 des Aufnehmers 2 ein Sensor 9 vorgesehen. Zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit befindet sich dieser nahe am Prozessanschluss 6 und somit in thermischem Kontakt zum Prozessmedium. Dadurch wird gewährleistet, dass die physikalische oder chemische Größe, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Druck P, über eine vergleichsweise kurze Distanz und daher mit sehr geringer Verfälschung behaftet zum Sensor 9 gelangt. Ebenfalls über eine vergleichsweise kurze Verbindung ist das störungsempfindliche elektrische Signal 7 zur weitgehenden Vermeidung einer Einkopplung von Störungen innerhalb des Gehäuses 8 des Aufnehmers 2 auf eine sensornahe Elektronikeinheit 10 geführt, die zur Vorverarbeitung des elektrischen Signals 7 dient und aus diesem das Messsignal 5 bildet, welches unempfindlicher gegenüber Störungen ist. Die Elektronikeinheit 10 kann beispielsweise eine Signalverstärkung, eine Impedanzwandlung und/oder eine Digitalisierung durchführen. Über die Schnittstelle 4 wird zum einen das Messsignal 5 einer zweiten Elektronikeinheit 11 zugeführt, die sich in einem Gehäuse 12 der Auswerteeinrichtung 3 befindet. Zum anderen dient die Schnittstelle 4 zur Übertragung der zum Betrieb des Aufnehmers 2 erforderlichen Energie sowie eventuell zu weiterer Kommunikation zwischen Aufnehmer 2 und Auswerteeinrichtung 3. In der Auswerteeinrichtung 3 wird durch geeignete Weiterverarbeitung des Messsignals 5 ein Messwert 13 gewonnen, der in einem Automatisierungsnetzwerk, beispielsweise über einen Feldbus, an weitere Automatisierungskomponenten übertragen wird.
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Der Messumformer 1 ist für einen Einsatz bei hohen Temperaturen eines Prozessmediums, beispielsweise bis 200 °C, ausgelegt. Da über den Prozessanschluss 6 und die direkte Ankopplung des Sensors 9 an das Prozessmedium eine thermische Kopplung zwischen Prozessmedium und Sensor 9 besteht, ist dieser ebenfalls für einen Einsatz bei derart hohen Temperaturen ausgelegt. Die vergleichsweise hohe Temperatur des Prozessmediums breitet sich nahezu über den gesamten Innenraum des Gehäuses 8 des Aufnehmers 2 mit Ausnahme der sensornahen Elektronikeinheit 10 aus.
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Zum rauscharmen Betrieb und zur Einhaltung der zulässigen Betriebstemperatur der Elektronikeinheit 10 ist diese durch eine thermische Isolierung 14 gegenüber dem Gehäuse 8 des Aufnehmers 2 und dessen Innenraum vor einer unzulässigen Erwärmung geschützt. In besonders vorteilhafter Weise besteht die thermische Isolierung damit zwischen dem Sensor 9 und der sensornahen Elektronikeinheit 10, wodurch zum einen erreicht wird, dass diese auch im Betrieb unterschiedliche Temperaturen besitzen können, und zum anderen, dass das elektrische Signal 7 nur über eine vergleichsweise kurze Distanz übertragen werden muss. Die dadurch ermöglichte direkte Ankopplung des Sensors 9 an ein Prozessmedium und niedrigere Betriebstemperatur der sensornahen Elektronikeinheit 10 tragen beide zu einer Verbesserung der Genauigkeit des Messumformers 1 bei.
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Zur Entwärmung der sensornahen Elektronikeinheit 10 dient ein Wärmerohr 15. Zwischen dem einen Ende 16 des Wärmerohrs 15 und der sensornahen Elektronikeinheit 10 besteht eine thermische Kopplung 17, zwischen dessen anderem Ende 18 und dem Gehäuse 12 der Auswerteeinrichtung 3 eine thermische Kopplung 19, die beispielsweise durch Wärmeleitpaste realisiert sein können. Die in der sensornahen Elektronikeinheit 10 entstehende Wärme sowie die Wärmeenergie, welche durch die thermische Isolierung 14 hindurch von der heißeren Umgebung im Innenraum des Aufnehmers 2 zur Elektronikeinheit 10 eingekoppelt wird, werden somit effektiv durch das Wärmerohr 15 auf das Gehäuse 12 der Auswerteeinrichtung 3 abgeführt. Die Temperatur des Gehäuses 12 ist etwa gleich der Umgebungstemperatur, die bei industriellen Anwendungen üblicherweise deutlich unterhalb von 85 °C liegt. Bei richtiger Auslegung des Wärmerohrs ist sichergestellt, dass die sensornahe Elektronikeinheit 10 nur etwa 5 bis 10 K wärmer wird als die Temperatur des Gehäuses 12, und zwar weitgehend unabhängig von der Temperatur des Prozessmediums und des Sensors 9. Das soll im Folgenden anhand eines vereinfachten Berechnungsbeispiels für die Auslegung des Wärmerohrs erläutert werden:
Es wird angenommen, dass bei einer praktischen Ausführung die sensornahe Elektronikeinheit 10 als bestückte Leiterplatte realisiert ist, die in einem Quader mit den Kantenlängen 40 mm, 25 mm und 5 mm untergebracht ist. Sowohl dieser Quader als auch das Wärmerohr sind in eine Epoxidharzschicht der Dicke 2 mm als thermischer Isolator 14 eingebettet. Außerhalb dieser Hülle befindet sich Luft mit einer Übertemperatur von beispielsweise 150 K. Das Wärmerohr 15 reicht zusammen mit der sensornahen Elektronikeinheit 10 über eine Länge von 80 mm in das heiße Gehäuse 8 des Aufnehmers 2 hinein. Anhand der mit diesen geometrischen Abmessungen berechneten Oberfläche des thermischen Isolators 14 und der Wärmeleitfähigkeit von Expoxidharz, die mit 0,2 W/(m K) angenommen wird, ergibt dies einen Wärmefluss durch den thermischen Isolator 14 hindurch von 2,6 W. Diese Wärmeleistung ist problemlos durch ein kleines handelsübliches Wärmerohr mit 15 W abführbar. Bei Einsatz eines Wärmerohrs mit Kapillaren zum Transport des Kühlmediums, einer so genannten Kapillar-Heatpipe, hat in vorteilhafter Weise die Einbaulage keinen nennenswerten Einfluss auf die übertragbare thermische Leistung. Derartige Wärmerohre sind vergleichsweise günstig am Markt verfügbar, so dass die Erhöhung des Herstellungsaufwands aufgrund der Verwendung eines Wärmerohrs 15 im Vergleich zur dadurch erzielten Genauigkeitsverbesserung des Messumformers 1 vergleichsweise gering ist.
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In vorteilhafter Weise kann das neue Aufbauprinzip des Messumformers 1 bei allen Arten von Messumformern, die mit hohen Temperaturen der Prozessmedien konfrontiert sind, eingesetzt werden.
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Im Folgenden werden die durch den neuen Messumformer erzielten Vorteile noch einmal kurz zusammengefasst:
- – Sensor 9 und sensornahe Elektronikeinheit 10 können in sehr heißer Umgebung betrieben werden; weder ist ein Ausfall der Messelektronik wegen Übertemperatur zu befürchten, noch ein Nachlassen der Messgenauigkeit. Die konstruktiv aufwendige, teure und messfehlerträchtige Lösung mittels eines Druckmittlers erübrigt sich.
- – Die Temperatur der sensornahen Elektronik 10 ist im Wesentlichen nur von der Temperatur des Gehäuses 12 der Auswerteeinrichtung 3 abhängig.
- – Da eine niedrigere Temperatur der sensornahen Elektronikeinheit 10 zu geringerem Messwertrauschen bei der Signalvorverarbeitung führt, ist auch bei nur moderat erhöhter Temperatur des Aufnehmers 2 eine bessere Messgenauigkeit erreichbar.
- – Mit dem Wärmerohr 15 wird ein passives Wärmetransportsystem ermöglicht, in welchem der Wärmetransport einzig durch den Temperaturgradienten angetrieben wird, und
- – die Mittel zur Entwärmung der sensornahen Elektronikeinheit 10 sind wartungs- und verschleißfrei.
