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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Einflusses zumindest einer Prozessbedingung auf einen Druckmessaufnehmer.
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Bei Druckmessaufnehmern für die Druckmesstechnik handelt es sich beispielsweise um Absolutdruck-, Differenzdruck- oder Relativdrucksensoren. Im Falle von Absolutdrucksensoren wird Druck in Bezug auf Vakuum ermittelt, während bei Differenzdrucksensoren die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Drücken und bei Relativdrucksensoren der zu messende Druck gegenüber einem Referenzdruck, welcher häufig durch den Atmosphärendruck im Bereich des Sensors gegeben ist, betrachtet wird.
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Drucksensoren verfügen über ein in einem Gehäuse angeordnetes druckempfindliches Messelement, beispielsweise eine Membran, welches so angeordnet ist, dass der zu messende Druck auf eine Außenfläche des Messelements einwirkt. Im Innenraum herrscht ein Innendruck, der je nach angewendetem Messprinzip ein Vakuum, ein Referenzdruck oder ein anderer, vorzugsweise bekannter, Druck sein kann. Im fortlaufenden Betrieb verformt sich das Messelement in Abhängigkeit des aus der Differenz des zu messenden Drucks und des Innendrucks gebildeten Relativdrucks und der jeweils zu messende Druck wird anhand der Verformung ermittelt. Zur Bestimmung des Drucks anhand der Verformung sind verschiedene Verfahren, wie beispielsweise das kapazitive oder piezoresistive Verfahren, verfügbar.
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Bei einem kapazitiven Drucksensor wird ein Messkondensator gebildet, wobei das druckempfindliche Element mit einer Elektrode versehen wird. In diesem Falle ist der Relativdruck aus der Kapazität des Messkondensators bestimmbar. Bei einem piezoresistiven Drucksensor kommt dagegen eine Schicht zum Einsatz, deren elektrische Eigenschaften vom angelegten Druck abhängen, welche typischerweise über einen Druckmittler mit dem Medium in Kontakt kommt. Als Druckmittler werden unter anderem massive Festkörper oder mit einer inkompressiblen Flüssigkeit befüllte Rohre verwendet.
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Um eine möglichst genaue Bestimmung des Drucks zu ermöglichen, wird bei der Fertigung von Druckmessaufnehmern typischerweise eine aufwendige Sensorcharakterisierung vorgenommen, während welcher bei unterschiedlichsten Drücken Sensor-Rohdaten aufgenommen werden. Es ist zudem bekannt, dass Druckmessaufnehmer Querempfindlichkeiten zu weiteren Prozessgrößen, wie beispielsweise der Temperatur aufweisen. Deshalb erfolgt wird die Sensorcharakterisierung häufig auch bei unterschiedlichen Temperaturen. Anhand der während der Sensorcharakterisierung gewonnenen Sensor-Rohdaten werden dann Korrekturfunktionen abgeleitet, die die genannten Einflüsse und Querempfindlichkeiten kompensieren. Beispiele hierfür sind in
DE102009027899A1 und
EP1668333B1 angegeben.
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In vielen Fällen werden zur Kompensation Polynome verwendet, die anhand des während der Sensorcharakterisierung gewonnen Sensor-Rohdaten ermittelt werden. Dazu sind jedoch in der Regel komplexe Polynome mit einer Vielzahl an Koeffizienten erforderlich. Problematisch ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Druckmessaufnehmer in einem sehr weiten Anwendungsbereich hinsichtlich des Messbereichs und der Umgebungsparameter, wie beispielswiese der Temperatur, eingesetzt werden. So müssen die Sensoren sowohl für einen Einsatz bei geringen Druckänderungen bei großer Varianz der Temperatur als auch für einen Einsatz bei hohen Druckänderungen bei geringer Varianz der Temperatur geeignet sein. Da der genaue Anwendungsbereich vorab selten bekannt ist, ist es üblich, eine universelle Korrekturfunktion zu ermitteln und statisch unabhängig vom Anwendungsfall anzuwenden. Dies geht jedoch nachteilig mit einer reduzierten Messgenauigkeit einher.
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Deshalb liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit zur Kompensation für Druckmessaufnehmer bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Kompensation eines Einflusses zumindest einer Prozessbedingung auf einen Druckmessaufnehmer, umfassend:
- Ermitteln einer ersten Korrekturfunktion anhand
eines Rohdatensatzes umfassend eine Vielzahl von mittels des Druckmessaufnehmers erfassten Messwerten als Funktion der zumindest einen Prozessbedingung, und
eines vorgebbaren ersten Arbeitsbereichs für den Druckmessaufnehmer,
und
- Korrigieren der mittels des Druckmessaufnehmers erfassten Druckmesswerte mittels der ersten Korrekturfunktion im fortlaufenden Betrieb.
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Erfindungsgemäß wird demnach keine statische, universelle Korrekturfunktion eingesetzt. Stattdessen wird die Korrekturfunktion für den jeweiligen ersten Arbeitsbereich passend ermittelt.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens handelt es sich bei der zumindest einen Prozessbedingung um eine Temperatur im Bereich des Druckmessaufnehmers. Die vorliegende Erfindung ist jedoch keineswegs auf eine Kompensation der Querempfindlichkeit von Druckmessaufnehmern gegenüber der Temperatur beschränkt. Vielmehr lassen sich auch weitere mögliche Einflussgrößen bzw. Prozessbedingungen berücksichtigen. Im Prinzip ist die vorliegende Erfindung universell auf unterschiedlichste Prozessparameter anwendbar, welche mittels einer geeigneten Korrekturfunktion kompensierbar sind.
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Auch zur Ermittlung der jeweils relevanten Prozessbedingung oder der jeweils relevanten Prozessbedingungen sind unterschiedlichste Methoden denkbar. Beispielsweise können im Prozess separate Sensoren zur Ermittlung der jeweiligen Prozessparameter vorhanden sein.
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Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem Rohdatensatz um einen Datensatz handelt, welcher während eines Fertigungsprozesses des Druckmessaufnehmers aufgenommen wird, und welcher Datensatz einem Ausgangszustand bzw. einen Initialzustand des Druckmessaufnehmers entspricht. Beispielsweise kann es sich um die Sensor-Rohdaten handeln, die während der Sensorcharakterisierung gewonnen werden. Die Verwendung der Daten aus der Sensorcharakterisierung garantiert eine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Kompensation, da es sich bei diesem Datensatz um eine umfassende Repräsentation des Sensorverhaltens mit hohem Informationsgehalt handelt.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es einerseits denkbar, dass der Rohdatensatz in einer Speichereinheit des Druckmessaufnehmers gespeichert wird. Ebenfalls kann der Rohrdatensatz aber auch in einer externen Speichereinheit hinterlegt sein, wobei der Druckmessaufnehmer so ausgestaltet ist, dass er auf die externe Speichereinheit zugreifen kann.
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In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Korrekturfunktion um ein Polynom. Aber auch andere Korrekturfunktionen können verwendet werden.
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Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass der erste Arbeitsbereich zumindest einem ersten vorgebbaren Intervall für die zumindest eine Prozessbedingung entspricht. Mit dem ersten Arbeitsbereich können aber auch Intervalle für mehrere Prozessbedingungen festgelegt werden. Auch können bestimmte Bereiche für die Messgröße, den Druck, festgelegt werden.
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In einer Ausgestaltung wird überwacht, ob eine Änderung des Arbeitsbereichs des Druckmessaufnehmers vorliegt. Eine derartige Überwachung des Arbeitsbereichs kann kontinuierlich, periodisch in vorgebbaren Zeitabständen, oder durch gezielte Überprüfung durch eine Person erfolgen. Unter einer Änderung des Arbeitsbereichs wird in diesem Zusammenhang z. B. eine Änderung der Grenzen eines Bereichs, d.h. der festgelegten Intervalle für die zumindest eine Prozessbedingung und/oder der Messgröße, eine Änderung des zeitlichen Verhaltens der Prozessbedingung und/oder der Messgröße oder auch eine Änderung des Zusammenwirkens von zumindest zwei unterschiedlichen Prozessbedingungen oder zumindest einer Prozessbedingung und der Messgröße verstanden.
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Zur Überwachung des Arbeitsbereichs stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung. Einerseits können, beispielswese mittels einer Messung ermittelte Werte für die zumindest eine Prozessbedingung bzw. die Messgröße herangezogen und mit den in dem jeweiligen Arbeitsbereich festgelegten Intervallen bzw. Bereichen verglichen werden.
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In einer Ausgestaltung wird eine Änderung des Arbeitsbereichs anhand einer Prozessanalyse erkannt. Bei einer Prozessanalyse wird der Istzustand des Prozesses anhand verschiedener Prozessparameter ermittelt.
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Es ist von Vorteil, wenn die Prozessanalyse mittels eines Analysealgorithmus durchgeführt wird. Der Analysealgorithmus beinhaltet beispielsweise eine mathematische Beschreibung des Prozesses hinsichtlich der jeweils betrachteten Prozessbedingungen und/oder der Messgröße.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn der Analysealgorithmus dazu ausgestaltet ist, die Prozessanalyse zu erlernen. Das Erlernen der Prozessanalyse erfolgt vorzugsweise mit Methoden der künstlichen Intelligenz. Es handelt sich also um eine intelligente Prozessanalyse. Bei dem maschinellen Lernprozess kann es sich sowohl um einen überwachten (engl. supervised) als auch um einen nicht-überwachten (engl. unsupervised) Lernprozess handeln, der mit sowohl mit einem offline als auch mit einem online Training einhergehen kann. Unter einem offline-Training wird ein Training vor der Durchführung von Prozessanalysen im fortlaufenden Prozess verstanden. Es handelt sich im Prinzip um ein Training unter Laborbedingungen. online Training erfolgt dagegen im fortlaufenden Prozess, bzw. während der Durchführung von Prozessanalysen.
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Die Prozessanalyse kann beispielsweise in einer Recheneinheit des Druckmessaufnehmers durchgeführt werden. Eine Ausgestaltung beinhaltet jedoch auch, dass die Prozessanalyse in einer externen Recheneinheit durchgeführt wird. Dabei kann es sich wiederum beispielsweise um ein Edge-Device, eine Cloud-Anwendung oder ähnliches handeln.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Falle einer Änderung des Arbeitsbereichs von dem ersten zu einem zweiten Arbeitsbereich eine neue, zweite Korrekturfunktion anhand des Rohdatensatzes und des zweiten Arbeitsbereichs ermittelt und/oder abgerufen, und es werden die mittels des Druckmessaufnehmers erfassten Druckmesswerte mit der zweiten Korrekturfunktion korrigiert.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die neue, zweite Korrekturfunktion nur dann ermittelt und zur Korrektur verwendet wird, wenn ein vorgebbares Kriterium betreffend die Änderung des Arbeitsbereichs erfüllt ist. Unter einer Änderung des Arbeitsbereichs wird in diesem Zusammenhang z. B. eine Änderung der Grenzen eines Bereichs, d.h. der festgelegten Intervalle für die zumindest eine Prozessbedingung und/oder der Messgröße, eine Änderung des zeitlichen Verhaltens der Prozessbedingung und/oder der Messgröße oder auch eine Änderung des Zusammenwirkens von zumindest zwei unterschiedlichen Prozessbedingungen oder zumindest einer Prozessbedingung und der Messgröße verstanden. Auch eine Kombination verschiedener statischer und/oder dynamischer Kriterien kann berücksichtigt werden.
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So handelt es sich in einer Ausgestaltung bei dem vorgebbaren Kriterium um eine Aussage über einen Wert oder zeitlichen Verlauf zumindest eines Prozessparameters und/oder über den Druckmessaufnehmer, insbesondere über den zeitlichen Verlauf zumindest einer Kenngröße des Druckmessaufnehmers.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die erste Korrekturfunktion während der Fertigung des Druckmessaufnehmers oder während der Inbetriebnahme im Prozess ermittelt wird. Bei der ersten Korrekturfunktion kann es sich demnach um ein spezifisches oder universelles Startpolynom handeln, welches im fortlaufenden Betrieb anpassbar ist.
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Schließlich beinhaltet eines Ausgestaltung, dass anhand der Prozessanalyse und/oder anhand der ermittelten Korrekturfunktionen eine Zustandsüberwachung des Druckmessaufnehmers vorgenommen wird. Die fortlaufende Überwachung des Arbeitsbereichs und/oder die Prozessanalyse erlauben Rückschlüsse auf den Zustand des Druckmessaufnehmers. Es ist also eine zusätzliche Diagnosefunktion für den Druckmessaufnehmer implementierbar.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden 1 näher erläutert. Zu sehen ist ein Druckmessaufnehmer 1, welcher an einem mit einem Medium M gefüllten Behälter angebracht ist, dessen Druck p bestimmt werden soll. Bei der Bestimmung des Drucks p wird eine Prozessbedingung, welche hier beispielhaft durch die Temperatur T im Bereich des Druckmessaufnehmers 1 gegeben ist, mittels einer ersten Korrekturfunktion fk1 kompensiert, welche dem Druckmessaufnehmer 1 zur Verfügung gestellt wird.
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Die Korrekturfunktion fk1 wiederum wird erfindungsgemäß anhand eines Rohdatensatzes Outkal und anhand eines vorgebbaren ersten Arbeitsbereichs A1 ermittelt. Der Rohdatensatz ist hier beispielhaft gegeben durch die bei einer Sensorcharakterisierung Outkal gewonnenen Rohdaten, welche die Rohmesswerte des Druckmessaufnehmers 1 als Funktion des Drucks p und der Temperatur T betreffen. Der vorgebbare erste Arbeitsbereich A1 ist definiert durch ein im Prozess zu erwartendes Intervall ΔT für die Temperatur T im Bereich des Druckmessaufnehmers 1.
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Anhand einer statischen Korrektur der Rohmesswerte des Druckmessaufnehmers 1 erfolgt erfindungsgemäß eine adaptive Korrektur mit einer in Abhängigkeit des jeweiligen Arbeitsbereich A des Druckmessaufnehmers 1 ausgewählten spezifischen Korrekturfunktion fk1. Während des fortlaufenden Betriebs kann der Arbeitsbereich A stets überprüft werden und im Falle eines Wechsels der Einsatzbedingungen des Druckmessaufnehmers 1 von einem ersten A1 zu einem zweiten Arbeitsbereich A2 kann eine neue, zweite Korrekturfunktion f1k ermittelt und zur Kompensation herangezogen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckmessaufnehmer
- 2
- Behälter
- M
- Medium
- p
- Druck
- T
- Temperatur
- fk, fk1, fk2,
- Korrekturfunktion
- A A1, A2,
- Arbeitsbereich
- OUtkal
- Rohdatensatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009027899 A1 [0005]
- EP 1668333 B1 [0005]
