DE102016215827B3

DE102016215827B3 - Verfahren zur Selbstüberwachung des Messelements eines Temperatursensors für die Prozessmesstechnik

Info

Publication number: DE102016215827B3
Application number: DE102016215827.9A
Authority: DE
Inventors: Robert Drexel; Peter Breh
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstüberwachung des Messelements eines Temperatursensors für die Prozessmesstechnik, wobei das Messelement zur Erfassung eines Temperaturmesswertes vorgesehen und mit einer Messschaltung verbunden ist und der Temperatursensor eine an die Messschaltung angeschlossene elektronische Signalverarbeitungseinheit mit einem Mikrocontroller aufweist, die ein Ausgangssignal für eine externe Steuereinheit zur Verfügung stellt. Um den Kalibrieraufwand zu reduzieren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der zeitliche Verlauf des Temperaturmesswertes im Mikrocontroller ausgewertet wird und dabei die Anzahl der Fälle gezählt werden, bei denen die Temperaturänderung ΔT in einem Zeitintervall Δt im Verhältnis zu einem Geräteparameter G größer als ein Grenzwert g ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selbstüberwachung des Messelements eines Temperatursensors für die Prozessmesstechnik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der heutigen Prozess- und Verfahrenstechnik werden Temperaturen in vielfältiger Form gemessen und zur Prozesssteuerung und -regelung eingesetzt. Dabei wird aus Gründen der Produkt- und Prozessqualität wie auch der Betriebssicherheit eine zuverlässige und langzeitstabile Temperaturerfassung mit bekannten Messfehlergrenzen immer wichtiger.
In der DE 10 2004 035 014 A1 ist eine umfangreiche Darstellung des für das Gebiet der selbstüberwachenden Temperatursensoren relevanten Stand der Technik offenbart. So ist es seit längerem bekannt, dass zur Minimierung von Wartung und Instandhaltung, wie auch der Anlagen-Stillstandszeiten selbstüberwachende, selbstkorrigierende und redundante Systeme zur Prozessmessung und -steuerung angestrebt werden. Die gängigen in der Industrie eingesetzten Kontakt-Temperaturmessprinzipien weisen alterungsbedingte Driften und Degradationen des Sensorelements auf, die zu einem erhöhten Messfehler oder zu Ausfällen im Laufe des Betriebs führen können. Deren Auftreten ist meist abhängig von den Umgebungsbedingungen, denen der Sensor ausgesetzt ist (z.B. Temperatur, Druck) und nicht vorhersagbar. Deshalb wird meist eine regelmäßige, oft auch vorbeugende Kalibration und Justage des Temperatursensors durchgeführt, um ein Toleranzband für den erzielten Messfehler sicher zu stellen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Kalibrationen hängt vom erlaubten Toleranzband und den Einsatzbedingungen des Sensors ab. Er wird an Hand von Erfahrungswerten so gewählt, dass das Toleranzband mit großer Wahrscheinlichkeit zwischen zwei aufeinander folgenden Kalibrationen nicht verlassen wird.
Aus der US 9,052,240 B2 ist ein Temperatursensor mit Überwachung seiner thermischen Belastung bekannt. Grundlage der Auswertung sind dabei die Anzahl von Fällen, in denen der Temperatursensor exzessiven Temperaturverhältnissen ausgesetzt ist, die Dauer dieser exzessiven Temperaturverhältnisse oder die währenddessen vorherrschende Temperatur.
Jede Kalibration ist mit erheblichem Aufwand und Kosten verbunden, da zum einen der Messfühler, d.h. das eigentliche Messelement ausgebaut werden muss (Anlagenstillstand, Abbau von Anlagenteilen) und zum anderen eine hochgenaue Referenztemperatur oder Temperaturmesseinrichtung zur Kalibration verfügbar sein muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Kalibrieraufwand zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung geht von Temperatursensoren mit Platin-Widerstandsmesselement in Dünnschichttechnik aus. Diese Messelemente sind im Wesentlichen so aufgebaut, dass eine strukturierte Platinschicht auf einem Keramiksubstrat aufgebracht und von einer Deckschicht mit Lötkontakten bedeckt ist. Der mechanische Verbund aus verschiedenen Materialien unter permanenten und wechselnden Temperatureinflüssen kann zu dem eingangs genannten alterungsbedingten Drift- und Degradationseffekten des Sensorelements führen. Darüber hinaus kann hierbei auch die genaue chemische Zusammensetzung der verwendeten Materialien eine Rolle spielen.
Vor diesem Hintergrund ist es Kern der Erfindung, aus den vom Messelement erfassten und an die Signalverarbeitungseinheit weitergegebenen Informationen eine voraussagende Diagnose hinsichtlich einer Wartung bzw. Kalibrierung des Temperatursensors bzw. des Messelements abzuleiten. Hierfür wird ein für die thermische Beanspruchung des Messelements – auch als thermische Stressbelastung bezeichnet – wesentlicher Einflussfaktor ausgewertet: die Anzahl sehr schneller Temperaturänderungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt beispielhaft die graphische Darstellung eines Temperaturverlaufs über der Zeit, wobei in 1 eine ereignisorientierte Betrachtung der thermischen Beanspruchung erfolgt.
In 1 sind hierbei durch dicke Striche bestimmte Ereignisse gekennzeichnet, die für die Auswertung hinsichtlich der Geschwindigkeit der Temperaturänderungen als ein wesentlicher Einflussfaktor für die thermische Beanspruchung des Sensors herangezogen werden sollen. Dabei sind vorliegend Ereignisse gemeint, bei denen eine sehr schnelle Temperaturänderung erfolgt ist. Mit ASP und AEP ist jeweils die untere bzw. obere Grenze des Betriebstemperaturbereichs gekennzeichnet. Der Quotient aus diesem Betriebstemperaturbereich und einer gerätespezifischen Ansprechzeit t_s wird nachfolgend als Geräteparameter G bezeichnet und entspricht damit dem Quotient aus maximaler Temperaturdifferenz und maximaler Zeitdifferenz.
Für die thermische Beanspruchung entscheidend ist die Temperaturänderung ΔT in einem Zeitintervall Δt im Verhältnis zu dem genannten Geräteparameter G. Die Summe von Ereignissen, bei denen dieses Verhältnis größer als ein vorgegebener Grenzwert g ist, lässt auf einen zu erwartenden Kalibieraufwand schließen. Vorteilhafterweise entspricht g einem Wert > 0,1, insbesondere > 0,12, und das Aufsummieren der Ereignisse übernimmt ein Mikrocontroller als Teil der elektronischen Signalverarbeitungseinheit des Temperatursensors.
Die im Mikrocontroller ablaufende Berechnung kann wie folgt zusammengefasst werden:
Ein typischer Wert für den Betriebstemperaturbereich ist bspw. 250 K und für die Ansprechzeit t_s des Temperatursensors ist bspw. 2 sec. Jedes Ereignis, bei dem der o.g. Quotient einen vorgegebenen Schwellwert g erreicht, wird vom Mikrocontroller registriert und aufsummiert abgespeichert. Wenn diese Summe einen bestimmten Wert erreicht hat, wird dem Anwender angezeigt, dass eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen werden sollte, um Messfehler zu vermeiden.

Claims

Verfahren zur Selbstüberwachung des Messelements eines Temperatursensors für die Prozessmesstechnik, wobei das Messelement zur Erfassung eines Temperaturmesswertes vorgesehen und mit einer Messschaltung verbunden ist und der Temperatursensor eine an die Messschaltung angeschlossene elektronische Signalverarbeitungseinheit mit einem Mikrocontroller aufweist, die ein Ausgangssignal für eine externe Steuereinheit zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Temperaturmesswertes im Mikrocontroller ausgewertet wird und dabei die Anzahl der Fälle gezählt werden, bei denen die Temperaturänderung ΔT in einem Zeitintervall Δt im Verhältnis zu einem Geräteparameter G größer als ein Grenzwert g ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messschaltung als Widerstands-Messschaltung ausgeführt ist.