DE102011109355B4

DE102011109355B4 - Verfahren zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei Druckmessumformern mit piezoresistiven Sensoren

Info

Publication number: DE102011109355B4
Application number: DE102011109355.2A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Daake; Wolfgang Scholz
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2031-08-05
Also published as: DE102011109355A1

Abstract

Verfahren zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei Druckmessumformern mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung mittels eines fluiden Druckmittlers (13) zur Bestimmung von Prozessdrücken in verfahrenstechnischen Anlagen und mit einer elektronischen Schaltung zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts, dadurch gekennzeichnet,- dass in einem ersten Schritt der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) in einer vorgegebenen, ersten Einbaulage einmalig bestimmt werden,- dass in einem zweiten Schritt der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) in einer zweiten Einbaulage einmalig gemessen werden,- dass aus der Differenz der Messwerte des Druckes und der Temperatur in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers (13) der Einfluss der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers bestimmt wird, aus dem ein temperaturbereinigter einbaulageabhängiger Korrekturwert ermittelt wird,- dass die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) während des laufenden Messbetriebs kontinuierlich und aktuell gemessen wird, und- dass mittels der aktuellen Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) und dem temperaturbereinigten einbaulageabhängigen Korrekturwert der jeweils aktuelle Druckmesswert korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei Druckmessumformern mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung zur Bestimmung von Prozessdrücken in verfahrenstechnischen Anlagen.
Druckmessumformer mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung sind allgemein bekannt. In der DE 200 19 067 U1 ist eine Druckmesseinrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor und hydraulischer Kraftübertragung bekannt, bei der der Prozessdruck des Messmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird.
Darüber hinaus ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 200 19 067 U1 eine Druckmesseinrichtung mit einem piezoresistiven Drucksensor und hydraulischer Kraftübertragung bekannt, bei der der Prozessdruck des Messmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird.
Das Messprinzip beruht beidenfalls auf der Verformung einer Membran durch die auf beiden Seiten der Membran anliegende Druckdifferenz.
Piezoresistive Drucksensoren zeichnen sich durch eine hohe Langzeitstabilität, einen weiten Einsatztemperaturbereich und eine großen Messbereich bei geringer Temperaturabhängigkeit und hoher Messdynamik aus. Im Betriebseinsatz hat sich jedoch herausgestellt, dass piezoresistive Drucksensoren einen lagebedingten Offset aufweisen, der das Messergebnis verfälscht. Dieses Offset resultiert aus der Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse des fluiden Druckmittlers in Abhängigkeit von deren Höhe der Flüssigkeitssäule. Die Höhe der Flüssigkeitssäule (Ölsäule) ist eine Funktion der Lage. Darüber hinaus ist dieses Offset temperaturabhängig.
Die US 2008 / 0 042 863 A1 offenbart ein Verfahren zur Korrektur des Einflusses von Temperatur und Einbaulage auf einen Druckmessumformer zur Bestimmung von Prozessdrücken in verfahrenstechnischen Anlagen. Um den störenden Einfluss der Einbaulage auf die Messungenauigkeit des Druckmessumformers zu kompensieren, wird hier vorgeschlagen, dass ein Neigungssensor die aktuelle Einbaulage erfasst, um den hierdurch gewonnenen Messwert zur Fehlerkompensation zu verwenden. Für diese technische Lösung ist also ein zusätzlicher Neigungssensor erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei Druckmessumformern mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung anzugeben, das die Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse des fluiden Druckmittlers kompensiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Schritten des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht von einem Druckmessumformer mit piezoresistiven Drucksensoren und hydraulischer Kraftübertragung aus, bei der der Prozessdruck des Messmediums unter Zwischenschaltung einer Trennmembran mit einem fluiden Druckmittler auf den Drucksensor übertragen wird. Der Druckmessumformer weist darüber hinaus eine elektronische Schaltung zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts auf.
Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt einmalig der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers in einer vorgegebenen, ersten Einbaulage bestimmt. In einem zweiten Schritt werden der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers in einer zweiten Einbaulage einmalig gemessen. Aus der Differenz der Messwerte des Druckes und der Temperatur in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers wird der Einfluss der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers bestimmt, aus dem ein temperaturbereinigter einbaulageabhängiger Korrekturwert ermittelt wird. Vorteilhafterweise wird als zweite Einbaulage genau diejenige eingestellt, die der Druckmessumformer in der verfahrenstechnischen Anlage einnimmt.
Die Temperatur des fluiden Druckmittlers wird während des laufenden Messbetriebs kontinuierlich und aktuell gemessen. Aus der aktuellen Temperatur des fluiden Druckmittlers und dem temperaturbereinigten einbaulageabhängigen Korrekturwert wird der jeweils aktuelle Druckmesswert korrigiert.
Dazu weist der Druckmessumformer einen Temperatursensor auf, der mit einer Korrektureinheit des Druckmessumformers verbunden ist. Die Korrektureinheit ist ausgebildet, aus dem lageabhängigen Druckunterschied und der Temperatur des Temperatursensors einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offsets zu berechnen. Die Korrektureinheit ist Bestandteil der elektronischen Schaltung zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts.
Nach der Installation des Druckmessumformers steht dessen tatsächliche Einbaulage durch die mechanisch-konstruktive Befestigung in der Prozessanlage fest und behält diese ohne weitere Eingriffe stabil bei.
Bereits während der Installation und der Inbetriebnahme des Druckmessumformers wird mittels des Temperatursensors die Temperatur des fluiden Druckmittlers gemessen. Demgemäß liegen nach der Inbetriebnahme des Druckmessumformers alle erforderlichen Daten zur Korrektur der temperaturabhängigen Messwertverfälschung aus der Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse des fluiden Druckmittlers vor, aus denen mittels der Korrektureinheit ein Korrekturwert ermittelt wird, mit dem der verfälschte Messwert des Druckmessumformers korrigiert wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:

1 eine geschnittene Prinzipdarstellungen einer Messzelle eines Druckmessumformers in verschiedenen Einbaulagen
2 eine Prinzipdarstellung eines Druckmessumformers

In 1 ist der prinzipielle Aufbau eine Messzelle 10 eines Druckmessumformers im Umfang ihrer erfindungswesentlichen Bestandteile geschnitten dargestellt. Die Messzelle 10 weist für einen Differenzdruckmessumformer eine erste und eine zweite Messkammer 11 und 12 auf, die fluidisch miteinander verbunden und mit einem fluiden Druckmittler 13 befüllt sind. Jede Messkammer 11 und 12 ist durch jeweils eine Trennmembran 14 und 15 von dem potentiell aggressiven Prozessmedium getrennt. Die Trennmembranen 14 und 15 übertragen den jeweiligen Prozessdruck 31 und 32 in die Messkammern 11 und 12. Auf der kammerseitigen Oberfläche der Trennmembranen 14 und 15 sind piezoresistive Messwiderstände 16 und 17 angeordnet. In Abhängigkeit von den applizierten Prozessdrücken 31 und 32 werden die Trennmembranen 14 und 15 konkav oder konvex verstellt und damit die piezoresistive Messwiderstände 16 und 17 gestreckt oder gestaucht. Die daraus resultierende Widerstandsänderung ist ein Maß für den applizierten Prozessdruck 31 und 32.
In Abhängigkeit von der Einbaulage des Druckmessumformer und damit der Masseverteilung des Druckmittlers 13 innerhalb des Druckmessumformers bezüglich der Trennmembranen 14 und 15 übt die Masse des Druckmittlers 13 hervorgerufen durch die Schwerkraft 40 der Erde eine Kraft auf die Trennmembranen 14 und 15 aus, die jeweils eine der Trennmembranen konkav und die jeweils andere konvex verstellt und somit über die Streckung oder Stauchung der jeweiligen Messwiderstände den Messwert verfälscht.
In 1a ist eine Messzelle eines Druckmessumformers in einer vorgegebenen, ersten Einbaulage dargestellt, in der die Trennmembranen 14 und 15 im Wesentlichen senkrecht zur Erdoberfläche angeordnet sind. Die auf die Trennmembranen 14 und 15 wirkenden Kräfte des Druckmittlers 13 sind symmetrisch und für beide Trennmembranen 14 und 15 gleich.
In dieser vorgegebenen, ersten Einbaulage werden die Temperatur des Druckmittlers 13 und der Druck bei äußerlich unbelasteten Trennmembranen 14 und 15 - unbeeinflusst von den Prozessdrücken 31 und 32 - bestimmt.
In jeder anderen, von 1a abweichenden Einbaulage, wie sie beispielhaft unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel in 1b dargestellt ist, wirkt die Schwerkraft 40 des Druckmittlers 13 asymmetrisch auf die beiden Trennmembranen 14 und 15. Während die Trennmembran 14 durch die Schwerkraft 40 des Druckmittlers 13 konvex verformt wird, bewirkt sie eine konkave Verformung der Trennmembran 15. Diese Verformungen ziehen eine Streckung der piezoresistiven Messwiderstände 17 und eine Stauchung der piezoresistiven Messwiderstände 16 nach sich, die zu fehlerhafter Umsetzung der physikalischen Größe Druck in die elektrische Größe Widerstand führen.
Die Einbaulage gemäß 1b sei die tatsächliche Einbaulage des Druckmessumformers in der verfahrenstechnischen Anlage. In dieser zweiten Einbaulage werden der Druck bei äußerlich unbelasteten Trennmembranen 14 und 15 - unbeeinflusst von den Prozessdrücken 31 und 32 - und die Temperatur des Druckmittlers 13 bestimmt. Aus der Differenz der Messwerte des Druckes und der Temperatur in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers 13 wird der Einfluss der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers in Form eines Korrekturwertes bestimmt. Mit diesem Korrekturwert wird das an den Messwiderständen 16 und 17 abgegriffene, fehlerhafte Messsignal korrigiert.
Dazu weist der Druckmessumformer unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel gemäß der Darstellung in der 2 einen Temperatursensor 21 zur Bestimmung der Temperatur des fluiden Druckmittlers 13 auf.
Der Temperatursensor 21 ist mit einer Korrektureinheit 23 verbunden. Die Korrektureinheit 23 ist ausgebildet, aus den Temperaturen des Temperatursensor 21 und den Drücken in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers 13 einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offsets zu berechnen und mit diesem Korrekturwert den verfälschten Messwert der laufenden Messung des Druckmessumformers zu korrigieren. Die Korrektureinheit 23 ist Bestandteil der elektronischen Schaltung 22 zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts.
Bei der Inbetriebnahme des Druckmessumformers werden in einem ersten Schritt der Druck und die Temperatur in einer vorgegebenen, ersten Einbaulage bestimmt. In einem zweiten Schritt werden der Druck und die Temperatur in einer zweiten Einbaulage gemessen. Aus der Differenz der Messwerte des Druckes und der Temperatur in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers 13 wird der Einfluss der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers bestimmt. Vorzugsweise ist die zweite Einbaulage genau diejenige, die der Druckmessumformer in der verfahrenstechnischen Anlage einnimmt.
Nach der Installation und der Inbetriebnahme des Druckmessumformers steht dessen tatsächliche Einbaulage durch die mechanisch-konstruktive Befestigung in der Prozessanlage fest und behält diese ohne weitere Eingriffe stabil bei. Besonders vorteilhaft ist die tatsächliche Einbaulage gleich der zweiten Einbaulage zur Ermittlung des Einflusses der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers, weil der dabei ermittelte Korrekturwert dann genau dem Offset an der tatsächlichen Einbaulage ist.
Während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Druckmessumformers wird mittels des Temperatursensors 21 die Temperatur des fluiden Druckmittlers 13 kontinuierlich gemessen, während die Einbaulage fixiert ist.
Demgemäß liegen nach der Inbetriebnahme des Druckmessumformers und während dessen Betriebs alle erforderlichen Daten zur Korrektur der temperaturabhängigen Messwertverfälschung aus der Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse des fluiden Druckmittlers 13 vor, aus denen mittels der Korrektureinheit 23 der verfälschte Messwert des Druckmessumformers korrigiert wird.
Bezugszeichenliste

10: Messzelle
11,12: Messkammer
13: Druckmittler
14,15: Trennmembran
16,17: Messwiderstand
21: Temperatursensor
22: Vorverarbeitung
23: Korrektureinheit
31,32: Prozessdruck
40: Schwerkraft

Claims

Verfahren zur Korrektur von Messwertverfälschungen bei Druckmessumformern mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung mittels eines fluiden Druckmittlers (13) zur Bestimmung von Prozessdrücken in verfahrenstechnischen Anlagen und mit einer elektronischen Schaltung zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts, dadurch gekennzeichnet, - dass in einem ersten Schritt der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) in einer vorgegebenen, ersten Einbaulage einmalig bestimmt werden, - dass in einem zweiten Schritt der Druck und die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) in einer zweiten Einbaulage einmalig gemessen werden, - dass aus der Differenz der Messwerte des Druckes und der Temperatur in den beiden verschiedenen Einbaulagen sowie den technischen Daten des Druckmittlers (13) der Einfluss der Lageabhängigkeit des Druckmessumformers bestimmt wird, aus dem ein temperaturbereinigter einbaulageabhängiger Korrekturwert ermittelt wird, - dass die Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) während des laufenden Messbetriebs kontinuierlich und aktuell gemessen wird, und - dass mittels der aktuellen Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) und dem temperaturbereinigten einbaulageabhängigen Korrekturwert der jeweils aktuelle Druckmesswert korrigiert wird.