DE102011109495A1 - Pressure transmitter for determination of process pressures in process plants, has piezoresistive sensors and hydraulic power transmission unit for determining the pressures, and electronic circuit for preprocessing the sensed readings - Google Patents

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Abstract

The pressure transmitter has piezoresistive sensors (16,17) and hydraulic power transmission unit for determining of the process pressures (31,32) in the process plants, and an electronic circuit for preprocessing the sensed readings. A temperature sensor determines the temperature of pressure transmitter. A receiving unit receives the mounting position information of transmitter. A correction unit calculates the position and temperature-induced offset of the transmitter, from the values of temperature and mounting position of transmitter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung zur Bestimmung von Prozessdrücken in verfahrenstechnischen Anlagen.The invention relates to a pressure transducer with piezoresistive sensors and hydraulic power transmission for determining process pressures in process plants.

Druckmessumformer mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung sind allgemein bekannt. In der DE 200 19 067 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.Pressure transmitters with piezoresistive sensors and hydraulic power transmission are well known. In the DE 200 19 067 is a pressure measuring device with a piezoresistive pressure sensor and hydraulic power transmission known, in which the process pressure of the medium to be measured with the interposition of a separation membrane with a fluid diaphragm seal is transmitted to the pressure sensor.

Darüber hinaus ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 200 19 067 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.In addition, from the German utility model DE 200 19 067 a pressure measuring device with a piezoresistive pressure sensor and hydraulic power transmission known in which the process pressure of the medium to be measured with the interposition of a separation membrane with a fluid diaphragm seal is transmitted to the pressure sensor.

Das Messprinzip beruht beidenfalls auf der Verformung einer Membran durch die auf beiden Seiten der Membran anliegende Druckdifferenz.The measuring principle is based both on the deformation of a membrane by the applied pressure difference on both sides of the membrane.

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 ein 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.Piezoresistive pressure sensors are characterized by a high long-term stability, a wide operating temperature range and a large measuring range with low temperature dependence and high measuring dynamics. In operational use, however, it has been found that piezoresistive pressure sensors have a positional offset that falsifies the measurement result. This offset results from the effect of the gravitational acceleration on the mass of the fluid pressure transmitter as a function of the height of the liquid column. The height of the liquid column (oil column) is a function of the position. In addition, this offset is temperature dependent.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer mit piezoresistiven Sensoren und hydraulischer Kraftübertragung anzugeben, bei dem die Messwertverfälschung aus der Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse des fluiden Druckmittlers vermieden wird.The invention is therefore based on the object to provide a pressure transducer with piezoresistive sensors and hydraulic power transmission, in which the Messwertverfälschung is avoided by the effect of gravitational acceleration on the mass of the fluid pressure transmitter.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen genannt.According to the invention this object is achieved by the means of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are mentioned in the dependent claims.

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.The invention is based on a pressure transducer with piezoresistive pressure sensors and hydraulic power transmission, in which the process pressure of the measuring medium is transmitted to the pressure sensor with the interposition of a separating diaphragm with a fluid pressure transmitter. The pressure transmitter also has an electronic circuit for preprocessing the determined measured value.

Erfindungsgemäß weist der Druckmessumformer einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des fluiden Druckmittlers auf. Darüber hinaus ist der Druckmessumformer mit einer Einheit zur Entgegennahme der Einbaulageinformation entsprechend der Einbaulage des Druckmessumformers ausgestattet. Der Temperatursensor und die Einheit zur Entgegennahme der Einbaulageinformation sind mit einer Korrektureinheit verbunden. Die Korrektureinheit ist ausgebildet, aus der Temperatur des Temperatursensor und der Einbaulage einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offsets zu berechnen. Die Korrektureinheit ist Bestandteil der elektronischen Schaltung zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts.According to the invention, the pressure transmitter has a temperature sensor for determining the temperature of the fluid pressure transmitter. In addition, the pressure transmitter is equipped with a unit for receiving the mounting position information according to the installation position of the pressure transmitter. The temperature sensor and the unit for receiving the installation position information are connected to a correction unit. The correction unit is designed to calculate a correction value of the position-dependent and temperature-dependent offset from the temperature of the temperature sensor and the installation position. The correction unit is part of the electronic circuit for preprocessing the determined measured value.

Nach der Installation des Druckmessumformers steht dessen Einbaulage durch die mechanisch-konstruktive Befestigung in der Prozessanlage fest und behält diese ohne weitere Eingriffe stabil bei. Im Rahmen der Inbetriebnahme des Druckmessumformers wird dessen tatsächliche Einbaulage in der Prozessanlage bestimmt und der Einheit zur Entgegennahme der Einbaulageinformation mitgeteilt.After installation of the pressure transmitter, its installation position is determined by the mechanical and constructive fastening in the process plant and keeps it stable without further intervention. As part of the commissioning of the pressure transmitter whose actual mounting position is determined in the process plant and communicated to the unit for receiving the mounting position information.

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.During the installation and commissioning of the pressure transmitter, the temperature of the fluid diaphragm seal is measured by means of the temperature sensor. Accordingly, after commissioning of the pressure transmitter all the necessary data for correcting the temperature-dependent Meßwertverfälschung from the effect of gravitational acceleration on the mass of the fluid pressure transmitter, from which a correction value is determined by means of the correction unit, with which the falsified measured value of the pressure transducer is corrected.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to embodiments. The necessary drawings show:

1 Prinzipdarstellungen eines Druckmessumformers in verschiedenen Einbaulagen 1 Schematic diagrams of a pressure transmitter in various mounting positions

2 eine Prinzipdarstellung eines Druckmessumformers in einer ersten Ausführungsform 2 a schematic diagram of a pressure transducer in a first embodiment

3 eine Prinzipdarstellung eines Druckmessumformers in einer zweiten Ausführungsform 3 a schematic diagram of a pressure transmitter in a second embodiment

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 1 the basic structure is a measuring cell 10 a pressure transmitter in the scope of their invention essential components shown cut. The measuring cell 10 points for one Differential pressure transmitter a first and a second measuring chamber 11 and 12 on, which are fluidically interconnected and with a fluid diaphragm seal 13 are filled. Every measuring chamber 11 and 12 is by a respective separation membrane 14 and 15 separated from the potentially aggressive process medium. The separation membranes 14 and 15 transmit the respective process pressure 31 and 32 into the measuring chambers 11 and 12 , On the chamber side surface of the separation membranes 14 and 15 are piezoresistive measuring resistors 16 and 17 arranged. Depending on the applied process pressures 31 and 32 become the separation membranes 14 and 15 concave or convex and thus the piezoresistive measuring resistors 16 and 17 stretched or compressed. The resulting change in resistance is a measure of the applied process pressure 31 and 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.Depending on the installation position of the pressure transmitter and thus the mass distribution of the diaphragm seal 13 within the pressure transmitter with respect to the separation membranes 14 and 15 practices the mass of the diaphragm seal 13 caused by gravity 40 the earth a force on the separation membranes 14 and 15 each one of the separation membranes concave and the other convex adjusted and thus distorted by the extension or compression of the respective measuring resistors the measured value.

In 1a ist eine Messzelle eines Druckmessumformers dargestellt, dessen 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 1a is a measuring cell of a pressure transmitter shown, the separation membranes 14 and 15 are arranged substantially perpendicular to the earth's surface. The on the separation membranes 14 and 15 acting forces of the diaphragm seal 13 are symmetrical and for both separation membranes 14 and 15 equal.

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 Drucksensoren 17 und eine Stauchung der piezoresistiven Drucksensoren 16 nach sich, die zu fehlerhafter Umsetzung der physikalischen Größe Druck in die elektrische Größe Widerstand führen.In every other, from 1a Deviating mounting position, as exemplified using the same reference numerals for the same means in 1b is shown, gravity acts 40 of the diaphragm seal 13 asymmetric on the two separation membranes 14 and 15 , While the separation membrane 14 by gravity 40 of the diaphragm seal 13 convexly deformed, it causes a concave deformation of the separation membrane 15 , These deformations pull an extension of the piezoresistive pressure sensors 17 and a compression of the piezoresistive pressure sensors 16 by itself, which lead to erroneous implementation of the physical size pressure in the electrical size resistance.

In der 2 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ein Druckmessumformer mit einer Messzelle 10 dargestellt. Der Druckmessumformer ist mit einer Einheit 24 zur Entgegennahme der Einbaulageinformation entsprechend der Einbaulage des Druckmessumformers ausgestattet.In the 2 is the same reference numerals for the same means a pressure transmitter with a measuring cell 10 shown. The pressure transmitter is one unit 24 equipped to accept the mounting position information according to the installation position of the pressure transmitter.

Der Druckmessumformer weist ferner einen Temperatursensor 21 zur Bestimmung der Temperatur des fluiden Druckmittlers 13 auf.The pressure transmitter also has a temperature sensor 21 for determining the temperature of the fluid pressure transmitter 13 on.

Der Temperatursensor 21 und die Einheit 24 zur Entgegennahme der Einbaulageinformation sind mit einer Korrektureinheit 23 verbunden. Die Korrektureinheit 23 ist ausgebildet, aus der Temperatur des Temperatursensor 21 und der Einbaulage einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offsets zu berechnen. Die Korrektureinheit 23 ist Bestandteil der elektronischen Schaltung 22 zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts.The temperature sensor 21 and the unit 24 for receiving the installation position information are with a correction unit 23 connected. The correction unit 23 is formed from the temperature of the temperature sensor 21 and the installation position to calculate a correction value of the position and temperature-related offset. The correction unit 23 is part of the electronic circuit 22 for preprocessing the determined measured value.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die Einheit 24 zur Entgegennahme der Einbaulageinformation eine Bedieneinheit 241 mit mindestens einer Eingabeeinheit 242 auf. Im Rahmen der Inbetriebnahme des Druckmessumformers wird dessen tatsächliche Einbaulage in der Prozessanlage bestimmt und über die Eingabeeinheit 242 der Bedieneinheit 241 in die Einheit 24 zur Entgegennahme der Einbaulageinformation eingetragen.In a first embodiment of the invention, the unit 24 for receiving the installation position information, a control unit 241 with at least one input unit 242 on. During commissioning of the pressure transmitter, its actual installation position is determined in the process plant and via the input unit 242 the control unit 241 in the unit 24 registered to receive the mounting position information.

Bereits während der Installation und der Inbetriebnahme des Druckmessumformers wird mittels des Temperatursensors 21 die Temperatur des fluiden Druckmittlers 13 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 13 vor, aus denen mittels der Korrektureinheit 23 ein Korrekturwert ermittelt wird, mit dem der verfälschte Messwert des Druckmessumformers korrigiert wird.Already during installation and commissioning of the pressure transmitter, the temperature sensor is activated 21 the temperature of the fluid pressure transmitter 13 measured. Accordingly, after commissioning of the pressure transmitter, all the necessary data for correcting the temperature-dependent falsification of the measured value from the effect of the gravitational acceleration on the mass of the fluid pressure transmitter 13 before, from which by means of the correction unit 23 a correction value is determined with which the corrupted measured value of the pressure transducer is corrected.

In der 3 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel eine weitere Ausführungsform eines Druckmessumformers mit einer Messzelle 10 gezeigt. Dabei ist die Einheit 24 zur Entgegennahme der Einbaulageinformation durch eine Kommunikationsschnittstelle 243 zur Datenfernübertragung gebildet. Diese Kommunikationsschnittstelle 243 ist mit der Korrektureinheit 23 verbunden.In the 3 is a further embodiment of a pressure transducer with a measuring cell using the same reference numerals for the same means 10 shown. Here is the unit 24 for receiving the installation position information through a communication interface 243 formed for remote data transmission. This communication interface 243 is with the correction unit 23 connected.

Im Rahmen der Inbetriebnahme des Druckmessumformers wird dessen tatsächliche Einbaulage in der Prozessanlage bestimmt und an eine übergeordnete Einrichtung übertragen und in dieser gespeichert. Die Einbaulagedaten werden im Wege der Datenfernübertragung an den Druckmessumformer gesendet. Der Druckmessumformer empfängt die Einbaulagedaten an seiner Kommunikationsschnittstelle 243 und leitet sie an die Korrektureinheit 23 weiter.As part of the commissioning of the pressure transmitter whose actual mounting position is determined in the process plant and transmitted to a higher-level device and stored in this. The installation data is sent to the pressure transmitter by remote data transmission. The pressure transmitter receives the mounting data at its communication interface 243 and forwards them to the correction unit 23 further.

Die Korrektureinheit 23 ist ausgebildet, aus der Temperatur des Temperatursensor 21 und der Einbaulage einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offsets zu berechnen. Die Korrektureinheit 23 ist Bestandteil der elektronischen Schaltung 22 zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts.The correction unit 23 is formed from the temperature of the temperature sensor 21 and the installation position a correction value of the position and calculate temperature-related offsets. The correction unit 23 is part of the electronic circuit 22 for preprocessing the determined measured value.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Messzellecell
11, 1211, 12
Messkammermeasuring chamber
1313
DruckmittlerDiaphragm Seals
14, 1514, 15
Trennmembranseparating membrane
16, 1716, 17
Messwiderstandmeasuring resistor
2121
Temperatursensortemperature sensor
2222
Vorverarbeitungpreprocessing
2323
Korrektureinheitcorrection unit
2424
Einheit zur Entgegennahme der EinbaulageinformationUnit for receiving the installation position information
241241
Bedieneinheitoperating unit
242242
Eingabeeinheitinput unit
243243
KommunikationsschnittstelleCommunication Interface
31, 3231, 32
Prozessdruckprocess pressure
4040
Schwerkraftgravity

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 20019067 U [0003] DE 20019067 U [0003]

Claims (3)

Druckmessumformer mit piezoresistiven Sensoren (16, 17) und hydraulischer Kraftübertragung mittels eines fluiden Druckmittlers (13) zur Bestimmung von Prozessdrücken (31, 32) in verfahrenstechnischen Anlagen und mit einer elektronischen Schaltung (22) zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Temperatursensor (21) zur Bestimmung der Temperatur des fluiden Druckmittlers (13) mit einer Korrektureinheit (23) verbunden ist, – dass eine Einheit (24) zur Entgegennahme einer Einbaulageinformation entsprechend der Einbaulage des Druckmessumformers mit der Korrektureinheit (23) verbunden ist, – dass die Korrektureinheit (23) ausgebildet ist, aus der Temperatur und der Einbaulage einen Korrekturwert des lage- und temperaturbedingten Offset zu berechnen und – dass die Korrektureinheit (23) Bestandteil der elektronischen Schaltung (22) zur Vorverarbeitung des ermittelten Messwerts ist.Pressure transmitter with piezoresistive sensors ( 16 . 17 ) and hydraulic power transmission by means of a fluid pressure transmitter ( 13 ) for the determination of process pressures ( 31 . 32 ) in process plants and with an electronic circuit ( 22 ) for preprocessing the determined measured value, characterized in that - a temperature sensor ( 21 ) for determining the temperature of the fluid pressure transmitter ( 13 ) with a correction unit ( 23 ) - that a unit ( 24 ) for receiving an installation position information according to the installation position of the pressure transmitter with the correction unit ( 23 ), - that the correction unit ( 23 ) is configured to calculate from the temperature and the installation position a correction value of the positional and temperature-dependent offset and - that the correction unit ( 23 ) Part of the electronic circuit ( 22 ) for preprocessing the determined measured value. Druckmessumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (24) zur Entgegennahme der Einbaulageinformation eine Bedieneinheit (241) mit mindestens einer Eingabeeinheit (242) ist.Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that the unit ( 24 ) for receiving the installation position information a control unit ( 241 ) with at least one input unit ( 242 ). Druckmessumformer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (24) zur Entgegennahme der Einbaulageinformation durch eine Kommunikationsschnittstelle (243) zur Datenfernübertragung gebildet ist.Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that the unit ( 24 ) for receiving the installation position information by a communication interface ( 243 ) is formed for remote data transmission.
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