DE102013206646A1 - Transducer for process instrumentation and method for its diagnosis - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Messumformer (1) zur Prozessinstrumentierung mit einem Sensor (S) zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, wobei der Sensor (S) zu einer Wheatstone-Brücke verschaltete Messwiderstände (R1...R4) zur Erzeugung eines analogen Messsignals (Um) aufweist. Zur Durchführung einer Messumformerdiagnose wird ein Mittenabgriff (X+) zumindest eines ersten Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch eine Reihenschaltung aus zumindest einem ersten Widerstand (Rb1) und einem ersten Schalter (Q1) zeitweise mit Bezugspotential verbunden. Eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) ermittelt bei geöffnetem bzw. geschlossenem ersten Schalter (Q1) die jeweiligen Werte (p1; p2) eines digitalen Messsignals (p), das mittels eines Analog-Digital-Umsetzers (ADC) aus dem analogen Messsignal (Um) gewonnen wurde. Liegt die Abweichung (∆) der beiden Werte (p1; p2) außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs, so wird ein Fehler des Messumformers (1), insbesondere des Analog-Digital-Umsetzers (ADC), detektiert und angezeigt. Das hat den Vorteil, dass kein zweiter Analog-Digital-Umsetzer zur Überwachung des Analog-Digital-Umsetzers (ADC) auf Fehlfunktionen erforderlich ist.The invention relates to a measuring transducer (1) for process instrumentation with a sensor (S) for detecting a physical or chemical variable, the sensor (S) being connected to form a Wheatstone bridge measuring resistors (R1 ... R4) for generating an analog measuring signal ( To) has. To carry out a transmitter diagnosis, a center tap (X +) of at least one first voltage divider of the Wheatstone bridge is temporarily connected to reference potential through a series connection of at least a first resistor (Rb1) and a first switch (Q1). When the first switch (Q1) is open or closed, a control and evaluation device (2) determines the respective values (p1; p2) of a digital measurement signal (p), which is generated from the analog measurement signal (ADC) by means of an analog-digital converter (ADC). To) was won. If the deviation (Δ) of the two values (p1; p2) is outside a predetermined tolerance range, an error in the measuring transducer (1), in particular the analog-to-digital converter (ADC), is detected and displayed. This has the advantage that no second analog-digital converter is required to monitor the analog-digital converter (ADC) for malfunctions.
Description
Die Erfindung betrifft einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Sensor zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Diagnose des Messumformers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. The invention relates to a transmitter for process instrumentation with a sensor for detecting a physical or chemical quantity according to the preamble of claim 1 and a method for diagnosing the transmitter according to the preamble of claim 6.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer beispielsweise dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, z. B. Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Mithilfe eines Sensors, der häufig zu einer Wheatstone-Brücke verschaltete Messwiderstände aufweist, die auf einem planaren Substrat aufgebracht sind, wird die physikalische oder chemische Größe in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dieses Substrat dient dann als mechanische Befestigung des empfindlichen Sensors auf einem Träger und zudem als Schutz gegen äußere Einflüsse, beispielsweise zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere bei piezoresistiven Drucksensoren besteht eine Möglichkeit zum Aufbringen von Messwiderständen des Sensors auf das Substrat darin, diese Widerstände im Substrat einzubetten und das Substrat in der Nähe dieser Widerstände zu dotieren, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen den Widerständen und dem Substrat besteht. Ein PN-Übergang nach Art einer Diode sorgt bei geeignetem Anlegen einer Spannung für eine elektrische Trennung der Widerstände vom Substrat. Elektrische Leitungen, welche Signale von dem Sensor zu externen Kontakten leiten, sind zur Auswertung der Signale an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, die beispielsweise über einen Feldbus einen dem jeweiligen Druck entsprechenden Messwert an eine Leitstation oder eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgibt. In process engineering plants, a variety of field devices are used for process instrumentation to control processes. Transmitters, for example, are used to capture process variables, eg. As temperature, pressure, flow, level, density or gas concentration of a medium. Using a sensor that has commonly connected to a Wheatstone bridge measuring resistors, which are applied to a planar substrate, the physical or chemical quantity is converted into an electrical measurement signal. This substrate then serves as a mechanical attachment of the sensitive sensor on a support and also as protection against external influences, for example, to improve the electromagnetic compatibility. In particular, in the case of piezoresistive pressure sensors, one possibility for applying measuring resistances of the sensor to the substrate is to embed these resistors in the substrate and to dope the substrate in the vicinity of these resistors, wherein there is an electrical contact between the resistors and the substrate. A diode-type PN junction, when properly applied, provides electrical isolation of the resistors from the substrate. Electrical lines which conduct signals from the sensor to external contacts are connected to a control and evaluation device for evaluating the signals, which outputs, for example via a field bus, a measured value corresponding to the respective pressure to a control station or a programmable logic controller.
Aus der
Da in immer mehr Anwendungen von Messumformern eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Messung physikalischer oder chemischer Größen gefordert wird, welche durch entsprechende Zertifizierungen, z. B. nach
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, bei welchem Fehlfunktionen des Analog-Digital-Umsetzers mit vergleichsweise einfachen Mitteln und dennoch zuverlässig detektierbar sind. The invention has for its object to provide a transmitter for process instrumentation, in which malfunction of the analog-to-digital converter with comparatively simple means and yet reliably detectable.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 6 ein Diagnoseverfahren beschrieben. To solve this problem, the new transmitter of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features. In the dependent claims advantageous developments of the invention and in claim 6, a diagnostic method are described.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass in besonders einfacher Weise und mit geringem Aufwand ein Analog-Digital-Umsetzer, der in einem Messumformer zur Wandlung eines analogen Messsignals in ein digitales Messsignal vorgesehen ist, auf korrekte Funktion überwacht werden kann. Dabei werden die oben genannten Nachteile einer redundanten Auslegung der Analog-Digital-Wandlung durch Verwendung eines zweiten Analog-Digital-Umsetzers, welcher dem ersten parallel geschaltet ist, vermieden. Insbesondere wird bei der neuartigen Diagnose des Umsetzers die Stromaufnahme des Messumformers allenfalls unwesentlich erhöht und es ist kein weiterer, mit hohen Kosten verbundener Analog-Digital-Umsetzer erforderlich. Da für die Diagnose des Analog-Digital-Umsetzers lediglich ein oder zwei zusätzliche Widerstände und Schalter benötigt werden, ist der zusätzliche Schaltungsaufwand und Platzbedarf für die Realisierung der Erfindung vergleichsweise gering. The invention has the advantage that in a particularly simple manner and with little effort, an analog-to-digital converter, which is provided in a transmitter for converting an analog measurement signal into a digital measurement signal, can be monitored for correct function. In this case, the above-mentioned disadvantages of a redundant design of the analog-to-digital conversion by using a second analog-to-digital converter, which is connected in parallel to the first, are avoided. In particular, in the novel diagnosis of the converter, the current consumption of the transmitter is increased at best negligible and there is no further, associated with high costs analog-to-digital converter required. Since only one or two additional resistors and switches are needed for the diagnosis of the analog-to-digital converter, the additional circuitry and space required for implementing the invention is comparatively low.
Weiterhin ist die vergleichsweise einfache Verarbeitung der bei den verschiedenen Schalterstellungen erfassten digitalen Messsignale von Vorteil, da diese nur einen geringen Teil der im Messumformer vorhandenen Rechenleistung beansprucht. Zur Auswertung sind nämlich lediglich einfache Rechen- und Vergleichsoperationen durchzuführen. Furthermore, the comparatively simple processing of the digital measuring signals recorded in the various switch positions is advantageous, as this only consumes a small part of the computing power available in the transmitter. For the evaluation, only simple arithmetic and comparison operations are to be carried out.
Bei Auftreten eines Fehlers des Analog-Digital-Umsetzers, der beispielsweise erkannt wird, wenn Abweichungen zwischen den jeweils in verschiedenen Schaltzuständen erfassten digitalen Messsignalen einen zulässigen Toleranzbereich verlassen, gibt der Messumformer eine Fehlermeldung aus und ein Prozess, in welchem der Messumformer eingesetzt wird, kann ggf. in einen sicheren Zustand gebracht werden. Damit wird der Anteil von möglichen Fehlern, die in einen sicheren Zustand führen, die sogenannte „Safe-Failure-Fraction (SFF)“ erhöht. If an error occurs in the analog-to-digital converter, which is detected, for example, if deviations between the digital measuring signals detected in different switching states leave a permissible tolerance range, the transmitter issues an error message and a process in which the transmitter is used if necessary be brought to a safe state. This increases the proportion of possible errors that lead to a safe state, the so-called "Safe Failure Fraction (SFF)".
Zur Diagnose des Analog-Digital-Umsetzers genügt es bereits, an lediglich einem Spannungsteiler der Wheatstone-Brücke eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Schalter vorzusehen, durch welche der Mittenabgriff des Spannungsteilers zeitweise mit einem vorbestimmten Bezugspotential verbindbar ist. Durch Auswertung der sich dabei einstellenden digitalen Messsignale kann zusätzlich ein möglicher Sensorbruch im Bereich des betreffenden Spannungsteilers oder ein Reißen der Bonding-Drähte festgestellt werden. Zur weiteren Erhöhung der Safe-Failure-Fraction ist es von Vorteil, eine entsprechende Reihenschaltung zudem am anderen Spannungsteiler der Wheatstone-Brücke anzuordnen. Dadurch können der Analog-Digital-Umsetzer und der Zustand des vollständigen Sensors auf Fehler, beispielsweise Sensorbruch oder Reißen der Bonding-Drähte an den Brückenausgängen, überwacht werden. For the diagnosis of the analog-to-digital converter, it is sufficient to provide only one voltage divider of the Wheatstone bridge a series connection of a resistor and a switch, through which the center tap of the voltage divider is temporarily connectable to a predetermined reference potential. By evaluating the thereby adjusting digital measurement signals in addition a possible sensor break in the region of the relevant voltage divider or a rupture of the bonding wires can be determined. To further increase the safe-failure fraction, it is also advantageous to arrange a corresponding series connection on the other voltage divider of the Wheatstone bridge. This allows the analog-to-digital converter and complete sensor condition to be monitored for faults, such as sensor breakage or cracking of the bonding wires at the bridge outputs.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Massepotential des Messumformers als Bezugspotential vorbestimmt, mit welchem der Mittenabgriff des Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Schalter verbindbar ist. Der Wert des Widerstands wird vorteilhaft so gewählt, dass er etwa das Zehn- bis Hundertfache des Werts eines in der Brücke verschalteten Messwiderstands beträgt. Hat ein Messwiderstand beispielsweise den Wert 6 kOhm, sollte somit der Wert des in der Reihenschaltung verwendeten Widerstands zwischen etwa 60 kOhm und 600 kOhm, vorzugsweise zwischen 100 kOhm und 600 kOhm, betragen. Das hat den Vorteil, dass die relativen Abweichungen der in den verschiedenen Schaltzuständen jeweils ermittelten digitalen Messsignale im Bereich einiger Prozente liegen und damit leicht zur Diagnose auswertbar sind. In a particularly advantageous embodiment of the invention ground potential of the transmitter is predetermined as a reference potential, with which the center tap of the voltage divider of the Wheatstone bridge is connectable through the series connection of a resistor and a switch. The value of the resistor is advantageously selected to be approximately ten to one hundred times the value of a measuring resistor connected in the bridge. For example, if a sense resistor has a value of 6 kOhm, the value of the resistor used in the series connection should be between about 60 kOhm and 600 kOhm, preferably between 100 kOhm and 600 kOhm. This has the advantage that the relative deviations of the digital measurement signals respectively determined in the various switching states are in the range of a few percent and can thus be easily evaluated for diagnosis.
Anhand der in einem praktischen Ausführungsbeispiel verwendeten Widerstände kann in einfacher Weise berechnet werden, welche Sprunghöhen der digitalen Messwerte bei Schaltvorgängen im fehlerfreien Zustand zu erwarten sind. Die Diagnoseauswertung gestaltet sich besonders einfach und führt dennoch zu einer zuverlässigen Diagnoseaussage, wenn zur Detektion eines Fehlers die bei der Diagnose ermittelten Abweichungen daraufhin überwacht werden, ob sie sich außerhalb eines Toleranzbereichs, welcher die erwartete Sprunghöhe einschließt, befinden. Die Obergrenze und die Untergrenze des jeweiligen Toleranzbereichs können dabei so vorberechnet werden, dass Schwankungen, die durch Bauelementestreuungen oder Temperaturänderungen bedingt sind und in einem zulässigen Bereich liegen, nicht zu einer irrtümlichen Fehlerdiagnose führen. On the basis of the resistors used in a practical embodiment, it can be easily calculated which jump heights of the digital measured values are to be expected during switching operations in the error-free state. The diagnostic evaluation is particularly simple and yet leads to a reliable diagnosis statement if, for the detection of an error, the deviations determined during the diagnosis are monitored to see whether they are outside a tolerance range which includes the expected jump height. The upper limit and the lower limit of the respective tolerance range can be precalculated so that fluctuations that are due to component variations or temperature changes and are within a permissible range, do not lead to an erroneous fault diagnosis.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das digitale Messsignal, welches bei zum Zweck der Diagnose geschlossenem ersten oder zweiten Schalter ermittelt wurde, um die in dem jeweiligen Arbeitspunkt erwartete Abweichung gegenüber der Messung bei offenem Schalter korrigiert. Somit kann auch bei zu Diagnosezwecken geschlossenem Schalter der richtige Messwert der physikalischen oder chemischen Größe ausgegeben werden und es kommt zu keiner Unterbrechung der Messungen durch den Diagnosevorgang. In a further, particularly advantageous embodiment of the invention, the digital measurement signal, which was determined when the first or second switch is closed for the purpose of diagnosis, is corrected by the deviation expected in the respective operating point from the measurement when the switch is open. Thus, the correct measured value of the physical or chemical quantity can be output even when the switch is closed for diagnostic purposes and there is no interruption of the measurements by the diagnostic procedure.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen: Show it:
In
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Analog-Digital-Umsetzer ADC ein Bestandteil einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
Der Mittenabgriff X+ des ersten Spannungsteilers mit Widerständen R1, R2 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rb1 und einem Schalter Q1 mit Massepotential als Bezugspotential verbindbar. Eine entsprechende Reihenschaltung aus einem Widerstand Rb2 und einem Schalter Q2 ist für den Mittenabgriff X– des zweiten Spannungsteilers, der aus den Widerständen R3 und R4 gebildet ist, vorgesehen. Mithilfe eines digitalen Ausgangs Out1 der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
Damit auch in den Zuständen Z2 und Z3 korrekte Messwerte des Drucks ermittelt und durch den Messumformer ausgegeben werden, erfolgt eine Korrektur der Werte p2 bzw. p3 anhand der erwarteten Abweichungen ∆. Ein korrigierter Wert pk2 wird durch Addition der erwarteten Abweichung ∆ zum ermittelten Wert p2 des digitalen Messsignals p berechnet, wie es in
Auf den Zustand Z3 folgt wiederum der Zustand Z1, in welchem die beiden Schalter Q1 und Q2 für normalen Messbetrieb geöffnet sind. Für die Messumformerdiagnose zusätzlich vorgesehene Zustände Z2 und/oder Z3 können, gesteuert durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung
Für den Zustand Z2 sind in
Im Zustand Z3 erfolgt die Überwachung der Abweichung auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums in analoger Weise zu der Art der Überwachung, die für den Zustand Z2 bereits ausführlich beschrieben wurde. In state Z3, the deviation is monitored for compliance with a predetermined criterion in a manner analogous to the type of monitoring that has already been described in detail for state Z2.
Zusammenfassend wird somit eine Diagnose erhalten, die es erlaubt, Fehler in einem Analog-Digital-Umsetzer oder einem evtl. vorgeschaltetem Multiplexer sowie einen Sensorbruch oder ein Reißen der Bonding-Drähte an Brückenausgängen des Sensors zu erkennen. Dabei wird in vorteilhafter Weise kein zusätzlicher Analog-Digital-Umsetzer benötigt. Der Verzicht auf einen zusätzlichen Analog-Digital-Umsetzer wirkt sich günstig auf die Stromaufnahme des Messumformers aus. Dies ist insbesondere bei Messumformern mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ein großer Vorteil, da hier lediglich eine sehr begrenzte Hilfsenergie zum Betrieb des Messumformers zur Verfügung steht. Zudem stellt der Verzicht auf einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer eine deutliche Verringerung der Herstellungskosten und des Platzbedarfs für die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung dar. Da nun Fehler des Analog-Digital-Umsetzers zusätzlich zu Sensor-, Widerstands- oder Zuleitungsbruch detektierbar sind, wird eine weitere Erhöhung der Safe-Failure-Fraction durch die neuartige Diagnose erreicht. In summary, a diagnosis is thus obtained which makes it possible to detect errors in an analog-to-digital converter or a possibly upstream multiplexer as well as a sensor break or rupture of the bonding wires at bridge outputs of the sensor. In this case, no additional analog-to-digital converter is required in an advantageous manner. The absence of an additional analog-to-digital converter has a favorable effect on the current consumption of the transmitter. This is a great advantage, especially for transducers with 4 to 20 mA interface, since only a very limited power supply is available for the operation of the transmitter here. In addition, the abandonment of a second analog-to-digital converter represents a significant reduction in manufacturing costs and the space required for the control and evaluation. Since now errors of the analog-to-digital converter in addition to sensor, resistance or lead break detectable is achieved a further increase of the safe failure fraction by the novel diagnosis.
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