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 EP 2 269 009 B1 ist ein Messumformer zur Prozessinstrumentierung bekannt, bei welchem der Zustand eines Substrats, das Messwiderstände eines Sensors zur Erzeugung eines Messsignals trägt, auf Veränderungen durch chemische Kontamination überwacht wird. Zusätzlich werden die Messwiderstände und ihre Anschlussleitungen auf Bruch, d. h. auf elektrische Unterbrechung, überwacht. Die Detektion eines Sensorbruchs kann beispielsweise über eine Messung der Stromaufnahme der zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Messwiderstände erfolgen. Eine Erkennung einer Fehlfunktion eines Analog-Digital-Umsetzers, der zur Weiterverarbeitung das analoge Messsignal in ein digitales Messsignal in Form einer zeitlichen Folge von Digitalwerten wandelt, wird nicht beschrieben. From the EP 2 269 009 B1 For example, a process instrumentation transmitter is known in which the state of a substrate carrying sensing resistors of a sensor for generating a measurement signal is monitored for changes due to chemical contamination. In addition, the measuring resistors and their connecting cables are monitored for breakage, ie for electrical interruption. The detection of a sensor rupture can take place, for example, by measuring the current consumption of the measuring resistors connected to a Wheatstone bridge. A detection of a malfunction of an analog-to-digital converter, which converts the analog measurement signal into a digital measurement signal in the form of a temporal sequence of digital values for further processing, is not described.

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 IEC 61508 , zu bestätigen ist, kann jedoch immer seltener auf eine Überwachung des Analog-Digital-Umsetzers auf Fehlfunktion verzichtet werden. Zur Erkennung einer Fehlfunktion des Analog-Digital-Umsetzers könnte beispielsweise ein zweiter Umsetzer dem ersten parallel geschaltet werden, sodass eine Fehlfunktion anhand eines einfachen Vergleichs der durch die beiden Umsetzer erzeugten digitalen Messsignale detektiert werden könnte. In nachteiliger Weise wäre die Verwendung eines zweiten Analog-Digital-Umsetzers jedoch mit einer deutlichen Erhöhung der Stromaufnahme und des Bauelementeaufwands für den Messumformer verbunden. Zudem würde der zusätzliche Umsetzer den Platzbedarf der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung auf einer Elektronikplatine erhöhen und es wären evtl. zusätzliche Maßnahmen zur Filterung analoger und digitaler Messsignale erforderlich. As in more and more applications of transmitters a very high reliability in the measurement of physical or chemical quantities is required, which by appropriate certifications, eg. B. after IEC 61508 , is to be confirmed, but it is less and less possible to dispense with monitoring of the analog-to-digital converter for malfunction. To detect a malfunction of the analog-to-digital converter, for example, a second converter could be connected in parallel to the first, so that a malfunction could be detected based on a simple comparison of the digital measurement signals generated by the two converters. However, adversely, the use of a second analog-to-digital converter would be associated with a significant increase in power consumption and device cost for the transmitter. In addition, the additional converter would increase the space requirement of the control and evaluation on an electronic board and it may be necessary additional measures for filtering analog and digital measurement signals.

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:

1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels und 1 a circuit diagram of an embodiment and

2 ein Zeitdiagramm eines digitalen Messsignals. 2 a timing diagram of a digital measurement signal.

In 1 sind lediglich die zum besseren Verständnis der Erfindung beitragenden Teile eines Messumformers 1 dargestellt, der zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, beispielsweise eines Drucks, dient. Auf einem Substrat, welches als druckempfindliche Membran ausgebildet ist, sind vier dehnungsempfindliche Widerstände R1...R4 eines Sensors S zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Dabei bilden die beiden Widerstände R1 und R2 einen ersten Spannungsteiler mit einem Mittenabgriff X+, der zwischen einer Referenzspannung Vref und Massepotential geschaltet ist. Die beiden Widerstände R3 und R4 mit einem Mittenabgriff X– sind als zweiter Spannungsteiler zum ersten Spannungsteiler in der Wheatstone-Brücke parallel geschaltet. Ein strombegrenzender Widerstand R5 ist zwischen eine Versorgungsspannung VCC und die Referenzspannung Vref geschaltet, die im Betrieb des Sensors S im Wesentlichen konstant gehalten wird. Zwischen den Mittenabgriffen X+ und X– ist eine Spannung abgreifbar, deren Pegel dem jeweiligen Druck entspricht und welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein analoges Messsignal Um, das durch den Sensor S erzeugt wird, darstellt. Das Messsignal Um liegt an zwei Eingängen In1 und In2 eines Analog-Digital-Umsetzers ADC an, welcher das Analogsignal in eine zeitliche Folge digitaler Werte, die im Folgenden als digitales Messsignal p bezeichnet wird, wandelt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist zusätzlich die Referenzspannung Vref auf einen Eingang Ref des Analog-Digital-Umsetzers ADC geführt. Dadurch wird eine ratiometrische Messung des analogen Messsignals Um ermöglicht. In 1 are merely the parts of a transmitter contributing to a better understanding of the invention 1 shown, which serves to detect a physical or chemical quantity, such as a pressure. On a substrate, which is designed as a pressure-sensitive membrane, four strain-sensitive resistors R1 ... R4 of a sensor S are connected to form a Wheatstone bridge. In this case, the two resistors R1 and R2 form a first voltage divider with a center tap X +, which is connected between a reference voltage Vref and ground potential. The two resistors R3 and R4 with a center tap X- are connected as a second voltage divider to the first voltage divider in the Wheatstone bridge in parallel. A current-limiting resistor R5 is connected between a supply voltage VCC and the reference voltage Vref, which is kept substantially constant during operation of the sensor S. Between the center taps X + and X- is tapped off a voltage whose level corresponds to the respective pressure and which in the illustrated embodiment, an analog measurement signal Um, which is generated by the sensor S represents. The measurement signal Um is applied to two inputs In1 and In2 of an analog-to-digital converter ADC, which converts the analog signal into a temporal sequence of digital values, which is referred to below as a digital measurement signal p. To improve the measurement accuracy, the reference voltage Vref is additionally routed to an input Ref of the analog-to-digital converter ADC. This allows a ratiometric measurement of the analog measurement signal Um.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Analog-Digital-Umsetzer ADC ein Bestandteil einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2, in welcher das analoge Messsignal Um zu einem Messwert für die physikalische oder chemische Größe, in diesem Beispiel des Drucks, weiterverarbeitet wird, der bei Einsatz des Messumformers 1 in einer prozesstechnischen Anlage beispielsweise an ein Automatisierungsgerät oder eine Leitstation über einen Feldbus 3 ausgegeben wird. In the exemplary embodiment shown, the analog-to-digital converter ADC is part of a drive and evaluation device 2 in which the analog measurement signal Um is further processed to a physical or chemical quantity reading, in this example of pressure, using the transmitter 1 in a process plant, for example to an automation device or a control station via a fieldbus 3 is issued.

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 2 kann der erste Schalter Q1, mithilfe eines digitalen Ausgangs Out2 der zweite Schalter Q2 zeitweise geschlossen werden. Im Normalbetrieb sind die beiden Schalter Q1 und Q2 geöffnet. Wird einer der beiden Schalter Q1 oder Q2 zeitweise geschlossen, stellt sich eine Änderung des analogen Messsignals Um ein. Bei korrekt arbeitendem Analog-Digital-Umsetzer ADC führt dies zu entsprechenden Abweichungen des digitalen Messsignals p, die zur Diagnose des Messumformers 1 in einer anhand 2 später näher beschriebenen Weise durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 analysiert werden. Welche Abweichungen zwischen Werten des digitalen Messsignals p, die beispielsweise bei geöffnetem ersten Schalter Q1 und geschlossenem ersten Schalter Q1 erzeugt werden, im fehlerfreien Zustand zu erwarten sind, kann bei bekannter Dimensionierung der Widerstände R1...R5, des Widerstands Rb1 und der Versorgungsspannung VCC in einfacher Weise berechnet und abgespeichert werden. Alternativ dazu ist es möglich, Erwartungswerte für die Abweichungen bei der Inbetriebnahme des Messumformers 1 im Gutzustand zu bestimmen und in einem Speicher der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 zur späteren Verwendung bei der Messumformerdiagnose zu hinterlegen. Dabei können Erwartungswerte der Abweichung ∆, Werte der Obergrenze ∆max und der Untergrenze ∆min, die in 2 beispielhaft eingezeichnet sind, in Form von Kennlinien vorbestimmt und in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 hinterlegt werden, wenn diese arbeitspunkt- und/oder temperaturabhängig variieren. The center tap X + of the first voltage divider with resistors R1, R2 is connectable via a series circuit of a resistor Rb1 and a switch Q1 with ground potential as a reference potential. A corresponding series connection of a resistor Rb2 and a switch Q2 is provided for the center tap X- of the second voltage divider, which is formed from the resistors R3 and R4. Using a digital output Out1 of the control and evaluation 2 For example, the first switch Q1 can be temporarily closed by means of a digital output Out2 of the second switch Q2. In normal operation, the two switches Q1 and Q2 are open. If one of the two switches Q1 or Q2 is closed temporarily, a change of the analog measuring signal Um occurs. If the analog-to-digital converter ADC is operating correctly, this leads to corresponding deviations of the digital measuring signal p, which are used to diagnose the transmitter 1 in one 2 later described in more detail by the control and evaluation 2 to be analyzed. Which deviations between values of the digital measuring signal p, which are generated, for example, when the first switch Q1 is open and the first switch Q1 closed, can be expected to be in the faultless state, can be determined by dimensioning the resistors R1... R5, the resistor Rb1 and the supply voltage VCC be calculated and stored in a simple manner. Alternatively, it is possible to expect values for the deviations during commissioning of the transmitter 1 To determine in good condition and in a memory of the control and evaluation 2 for later use during transmitter diagnostics. Expected values of the deviation Δ, values of the upper limit Δmax and the lower limit Δmin, which in 2 are exemplified, predetermined in the form of characteristics and in the control and evaluation 2 be deposited if they vary depending on operating point and / or temperature.

2 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Beispiel eines Verlaufs 20 des digitalen Messsignals p. Der Verlauf 20 in 2 wird bei fehlerfreiem Messumformer erhalten. Auf der Achse der Zeit t sind verschiedene Zustände Z1, Z2 und Z3 markiert. In einem Zustand Z1 sind die beiden Schalter Q1 und Q2 geöffnet und es stellt sich ein dem jeweiligen Druck entsprechendes digitales Messsignal p mit einem Wert p1 ein. Durch Schließen des Schalters Q1 wird aus dem Zustand Z1 in einen neuen Zustand Z2 übergegangen, in welchem das digitale Messsignal p den Wert p2 besitzt. Eine Abweichung ∆ zwischen den Werten p2 und p1 entspricht einem bei der Inbetriebnahme oder durch Berechnung vorbestimmten Erwartungswert. Damit kann festgestellt werden, dass im Analog-Digital-Umsetzer ADC sowie im Bereich des ersten Spannungsteilers mit den Widerständen R1 und R2 (1) kein Fehler vorliegt. Beim Übergang von dem Zustand Z2 zum Zustand Z3 wird der erste Schalter Q1 wieder geöffnet und der zweite Schalter Q2 geschlossen. Dabei stellt sich ein Wert p3 des digitalen Messsignals p ein, welcher um die Abweichung ∆ höher ist als der Wert p1 im Zustand Z1. Da die Abweichung ∆ auch im Zustand Z3 der erwarteten Abweichung entspricht, liegt auch beim zweiten Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 (1) kein Fehler vor. 2 shows in a time chart an example of a course 20 of the digital measurement signal p. The history 20 in 2 is obtained with faultless transmitter. Different states Z1, Z2 and Z3 are marked on the axis of time t. In a state Z1, the two switches Q1 and Q2 are opened, and a digital measuring signal p corresponding to the respective pressure sets with a value p1. By closing the switch Q1 is transferred from the state Z1 in a new state Z2, in which the digital measurement signal p has the value p2. A deviation .DELTA. Between the values p.sub.2 and p.sub.1 corresponds to an expected value determined during commissioning or by calculation. It can thus be stated that in the analog-to-digital converter ADC and in the region of the first voltage divider with the resistors R1 and R2 (FIG. 1 ) there is no error. During the transition from state Z2 to state Z3, the first switch Q1 is opened again and the second switch Q2 is closed. In this case, a value p3 of the digital measuring signal p sets in which is higher by the deviation Δ than the value p1 in the state Z1. Since the deviation Δ also corresponds to the expected deviation in the state Z3, the resistors R3 and R4 (FIG. 1 ) no error.

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 2 durch die Formel pk2 = p2 + ∆ gezeigt ist. Ein korrigierter Wert pk3 wird durch Subtraktion der erwarteten Abweichung ∆ vom ermittelten Wert p3 entsprechend der in 2 angefügten Formel pk3 = p3 – ∆ erhalten. Im Zustand Z1 ist keine derartige Korrektur erforderlich, sodass der ermittelte Wert p1 unverändert auch als korrigierter Wert pk1 weiterverarbeitet werden kann. So that correct measured values of the pressure are also determined in states Z2 and Z3 and output by the measuring transducer, the values p2 and p3 are corrected on the basis of the expected deviations Δ. A corrected value pk2 is calculated by adding the expected deviation Δ to the determined value p2 of the digital measurement signal p, as shown in FIG 2 through the formula pk2 = p2 + Δ is shown. A corrected value pk3 is obtained by subtracting the expected deviation Δ from the detected value p3 in accordance with the 2 attached formula pk3 = p3 - Δ receive. In the state Z1, no such correction is required, so that the determined value p1 can also be further processed as corrected value pk1.

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 2, zyklisch in periodischen Zeitabständen, ereignisgesteuert oder auf Anforderung, die beispielsweise über den Feldbus 3 oder eine Bedieneinrichtung vor Ort gegeben wird, eingenommen werden. State Z3 is again followed by state Z1, in which the two switches Q1 and Q2 are open for normal measuring operation. For the transmitter diagnosis additionally provided states Z2 and / or Z3 can, controlled by the control and evaluation 2 cyclically at periodic intervals, event-driven or on request, for example via the fieldbus 3 or a control device is given on site, be taken.

Für den Zustand Z2 sind in 2 eine vorbestimmte Obergrenze ∆max sowie eine vorbestimmte Untergrenze ∆min der Abweichung ∆ eingezeichnet, die einen Toleranzbereich definieren, innerhalb dessen bei der Diagnose ein Gutzustand des Messumformers festgestellt wird. Liegt dagegen im Diagnosebetriebszustand Z2 gegenüber dem Normalbetrieb im Zustand Z1 eine Abweichung vor, die größer als die Obergrenze ∆max ist, so wird ein Fehler detektiert, bei welchem es sich beispielsweise um einen Bruch des Sensors S, ein Reißen eines Bonding-Drahts oder um einen Defekt des Analog-Digital-Umsetzers handeln kann. Ist die Abweichung kleiner als die Untergrenze ∆min, so wird ein Fehler detektiert, dessen Ursache beispielsweise der Analog-Digital-Umsetzer oder ein diesem evtl. vorgeschalteter Multiplexer sein kann, der in Messumformern beispielsweise dazu vorgesehen sein kann, verschiedene Analogsignale mit demselben Analog-Digital-Umsetzer zu digitalisieren. For the state Z2 are in 2 a predetermined upper limit .DELTA.max and a predetermined lower limit .DELTA.min of the deviation .DELTA. are defined, which define a tolerance range within which a good condition of the transmitter is determined during the diagnosis. If, on the other hand, a deviation greater than the upper limit Δmax is present in the diagnostic operating state Z2 compared to the normal operation in the state Z1, then an error is detected which is, for example, a rupture of the sensor S, a rupture of a bonding wire or can be a defect of the analog-to-digital converter. If the deviation is smaller than the lower limit Δmin, then an error is detected, the cause of which may be, for example, the analog-to-digital converter or a possibly upstream multiplexer, which may for example be provided in transmitters with different analog signals with the same analogue converter. Digital converter to digitize.

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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Claims (6)

Messumformer 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, und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) zur Bestimmung und Ausgabe eines Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe in Abhängigkeit des analogen Messsignals (Um), wobei die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) zur Wandlung des analogen Messsignals (Um) in ein digitales Messsignal (p) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabgriff (X+) zumindest eines ersten Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch eine Reihenschaltung aus zumindest einem ersten Widerstand (Rb1) und einem ersten Schalter (Q1) zur Durchführung einer Messumformerdiagnose zeitweise mit einem vorbestimmten Bezugspotential verbindbar ist und dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, jeweilige Werte (p1; p2) des digitalen Messsignals (p) bei geöffnetem bzw. geschlossenem ersten Schalter (Q1) zu ermitteln und anhand einer Überwachung der Abweichungen (∆) der Werte (p1; p2) auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums einen Fehler des Messumformers (1) zu detektieren. Transducer for process instrumentation with a sensor (S) for detecting a physical or chemical quantity, wherein the sensor (S) to a Wheatstone bridge connected measuring resistors (R1 ... R4) for generating an analog measuring signal (Um) has, and with a Control and evaluation device ( 2 ) for determining and outputting a measured value of the physical or chemical quantity as a function of the analog measuring signal (Um), wherein the control and evaluation device ( 2 ) has an analog-to-digital converter (ADC) for converting the analog measurement signal (Um) into a digital measurement signal (p), characterized in that a center tap (X +) of at least one first voltage divider of the Wheatstone bridge by a series circuit of at least one first resistor (Rb1) and a first switch (Q1) for performing a transmitter diagnosis is temporarily connectable to a predetermined reference potential and that the control and evaluation device ( 2 ) is designed to determine respective values (p1, p2) of the digital measurement signal (p) when the first switch (Q1) is open or closed and by monitoring the deviations (Δ) of the values (p1, p2) to maintain a predetermined value Criteria a fault of the transmitter ( 1 ) to detect. Messumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabgriff (X–) des zweiten Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch eine Reihenschaltung aus zumindest einem zweiten Widerstand (Rb2) und einem zweiten Schalter (Q2) zeitweise mit einem vorbestimmten Bezugspotential verbindbar ist und dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, jeweilige Werte (p1; p3) des digitalen Messsignals (p) bei geöffnetem bzw. geschlossenem zweiten Schalter (Q2) zu ermitteln und anhand einer Überwachung der Abweichungen (∆) der Werte (p1; p3) auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums einen Fehler des Messumformers (1) zu detektieren, wobei der erste Schalter (Q1) geöffnet oder geschlossen ist. Transmitter according to claim 1, characterized in that a center tap (X-) of the second voltage divider of the Wheatstone bridge by a series circuit of at least one second resistor (Rb2) and a second switch (Q2) temporarily connectable to a predetermined reference potential and that Control and evaluation device ( 2 ) is designed to determine respective values (p1, p3) of the digital measuring signal (p) when the second switch (Q2) is open or closed and by monitoring the deviations (Δ) of the values (p1, p3) to maintain a predetermined value Criteria a fault of the transmitter ( 1 ), wherein the first switch (Q1) is opened or closed. Messumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorbestimmte Bezugspotential Massepotential ist und dass der Wert des ersten Widerstands (Rb1) um eine bis zwei Größenordnungen höher als die Werte der Messwiderstände (R1...R4) ist. Transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the predetermined reference potential is ground potential and that the value of the first resistor (Rb1) is one to two orders of magnitude higher than the values of the measuring resistors (R1 ... R4). Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als vorbestimmtes Kriterium die Abweichungen (∆) darauf überwacht werden, ob sie sich außerhalb eines Toleranzbereichs mit vorbestimmter Obergrenze (∆max) und vorbestimmter Untergrenze (∆min) befinden. Transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that as a predetermined criterion, the deviations (Δ) are monitored for whether they are outside a tolerance range with a predetermined upper limit (Δmax) and predetermined lower limit (Δmin). Messumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, den bei geschlossenem ersten Schalter (Q1) ermittelten Wert (p2) des digitalen Messsignals (p) um eine erwartete Abweichung (∆) zur Bestimmung und Ausgabe des Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe zu korrigieren. Transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the control and evaluation device ( 2 ) is designed to correct the value (p2) of the digital measuring signal (p) determined with the first switch (Q1) closed by an expected deviation (Δ) for determining and outputting the measured value of the physical or chemical quantity. Verfahren zur Diagnose eines Messumformers (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 und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) zur Bestimmung und Ausgabe eines Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe in Abhängigkeit des analogen Messsignals (Um), wobei die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung (2) einen Analog-Digital-Umsetzer (ADC) zur Wandlung des analogen Messsignals (Um) in ein digitales Messsignal (p) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabgriff (X+) zumindest eines ersten Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch eine Reihenschaltung aus zumindest einem ersten Widerstand (Rb1) und einem ersten Schalter (Q1) zur Durchführung einer Messumformerdiagnose zeitweise mit einem vorbestimmten Bezugspotential verbunden wird und dass die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung jeweilige Werte (p1; p2) des digitalen Messsignals (p) bei geöffnetem bzw. geschlossenem ersten Schalter (Q1) ermittelt und anhand einer Überwachung der Abweichungen (∆) der Werte (p1; p2) auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums einen Fehler des Messumformers (1) detektiert und anzeigt. Method for diagnosing a transmitter ( 1 ) for process instrumentation with a sensor (S) for detecting a physical or chemical quantity, wherein the sensor (S) to a Wheatstone bridge interconnected measuring resistors (R1 ... R4) for generating an analog measuring signal (Um) and with a drive and evaluation device ( 2 ) for determining and outputting a measured value of the physical or chemical quantity as a function of the analog measuring signal (Um), wherein the control and evaluation device ( 2 ) has an analog-to-digital converter (ADC) for converting the analog measurement signal (Um) into a digital measurement signal (p), characterized in that a center tap (X +) of at least one first voltage divider of the Wheatstone bridge by a series circuit of at least one first resistor (Rb1) and a first switch (Q1) for performing a transmitter diagnosis is temporarily connected to a predetermined reference potential and that the drive and evaluation means respective values (p1, p2) of the digital measurement signal (p) with the first switch open or closed (Q1) and by monitoring the deviations (Δ) of the values (p1; p2) for compliance with a predetermined criterion, an error of the transmitter ( 1 ) is detected and displayed.
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