DE10318171A1

DE10318171A1 - Verfahren zur funktionsüberwachten Bestimmung einer Messgröße sowie ein in diesem Verfahren verwendbarer Messwertaufnehmer und Verwendung desselben

Info

Publication number: DE10318171A1
Application number: DE2003118171
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Karte
Original assignee: Samson AG
Current assignee: Samson AG
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: DE10318171C5; DE10318171B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur funktionsüberwachten Bestimmung zumindest einer Messgröße mittels eines, insbesondere von einem Steuer- und/oder Regelkreis eines Stellgeräts umfassten, Messwertaufnehmers, wobei die Messgröße sowohl mittels zumindest eines ersten Sensors als auch mittels zumindest eines zweiten Sensors gemessen wird, und durch den ersten Sensor unter Verwendung eines ersten Messprinzips die Messgröße als erstes Messsignal gemessen wird und durch den zweiten Sensor unter Verwendung eines von dem ersten Messprinzip abweichenden zweiten Messprinzips die Messgröße als zweites Messsignal gemessen wird; sowie einen insbesondere in diesem Verfahren verwendbaren Messwertaufnehmer und die Verwendung desselben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Messgröße mittels eines, insbesondere von einem Steuer- und/oder Regelkreis eines Stellgeräts umfassten, Messwertaufnehmers, wobei die Messgröße sowohl mittels zumindest eines ersten Sensors als auch mittels zumindest eines zweiten Senors gemessen wird; sowie einen, insbeson dere in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbaren, Messwertaufnehmer und eine Verwendung desselben.
In der Prozessverarbeitung kann der Wunsch nach Überwachung wichtiger Sensoren bestehen. Insbesondere ist in sicherheitsrelevanten Anlagen eine derartige Überwachung dringend vorgeschrieben bzw. wird eine redundante Auslegung der Sensoren vorgeschrieben. Insbesondere Systeme zur Wegerfassung eines Ventilstellungsreglers, aber auch einfache Stellungsrückmelder für Ventile oder Sensoren zur Aufnahme von Prozessgrößen wie Druck, Temperatur, Durchfluss, bedürfen einer derartigen Überwachung. Zumeist wird eine derartige Überwachung in aus dem Stand der Technik bekannten Prozessverarbeitungsanlagen dadurch erzielt, dass drei komplette Messwerterfassungsysteme, jeweils umfassend zumindest einen Sensor und zumindest eine Auswerteeinheit, eingesetzt werden. In einem gattungsgemäßen Verfahren soll durch einen Vergleich der durch die Messwerterfassungssysteme gelieferten Messwerte in der Art, dass die zu erfassende Messgröße zu demjenigen Wert bestimmt wird, den zumindest zwei Messwerterfassungssysteme übereinstimmend liefern (zwei aus drei), eine ausreichende Sicherheit gewährleistet werden. Eine derartige redundante Auslegung ist jedoch mit einem höheren technischen Aufwand verbunden, woraus sich wieder eine gewisse Fehleranfälligkeit sowie erhöhte Kosten ergeben. Darüber hinaus kann eine derartige redundante Auslegung ebenfalls nicht eine vollständige Sicherheit garantieren, da es zu einem gleichzeitigen Ausfall von mehreren Sensoren bzw. Messwerterfassungssystemen kommen kann, so dass eine eindeutige Bestimmung des Zustands der Prozessanlage nicht mehr möglich ist.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik weitere Überwachungsverfahren für Sensoren bekannt. So offenbart die DE 199 39 872 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sensorüberwachung insbesondere für ein ESP-System für Fahrzeuge. In dem Verfahren ist vorgesehen, dass zur Überwachung von Sensoren, die jeweils unterschiedliche Prozessmessgrößen aufnehmen, eine zyklisch sequentielle Überwachung des Verlaufs der Ausgangssignale der einzelnen Sensoren dadurch erreicht wird, dass aktuell nicht zu überwachende Prozessführungs- und Prozessmessgrößen zur Überwachung eines eine andere Prozessführungs- bzw.
Prozessmessgröße messenden Sensors herangezogen werden. Dazu werden mit Hilfe eines Mehrfachprozessmodells für einen Normalbetrieb analytische Redundanzen erzeugt, aus denen mit dem aktuell zu überwachenden Ausgangssignal ein Residuum gebildet wird. Nach Auswertung des Residuums und Vergleich mit einem Schwellwert wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn das Residuum den Schwellwert erreicht. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass es in sicherheitsrelevanten Anlagen nicht einsetzbar ist, da ein Ausfall eines Prozessors dazu führt, dass die entsprechende Prozessführungs- bzw. Prozessmessgröße nicht mehr bestimmbar ist. Darüber hinaus setzt die Verwendung des Mehrfachprozessmodells eine genaue Kenntnis des Prozesses, in dem der zu überwachende Sensor verwendet wird, voraus, so dass eine leichte Übertragbarkeit nicht möglich, zumindest sehr erschwert ist.
Darüber hinaus ist aus der DE 196 01 660 A1 eine Sicherheitsschaltungsanordnung bekannt. Mittels der Sicherheitsschaltungsanordnung können zwei ein Antriebsgerät in Betrieb setzende Aktoren in Abhängigkeit von Sensorschaltsignalen von Sensoren, die jeweils einen Sender und einen Empfänger umfassen, aktiviert werden. Die Funktionsfähigkeit der angeschlossenen Sensoren wird derart zyklisch überprüft, dass das Ausgangssignal der Sensoren in Abhängigkeit davon, ob die Signale der Sensoren mittels einer Überbrückungsschaltung überbrückt sind, analysiert werden. Eine derartige Funktionsprüfung ist jedoch gänzlich ungeeignet, um in einem sicherheitsrelevanten Prozess eingesetzt zu werden, da ein Ausfall eines Sensors eine Zustandsbestimmung des Prozesses nicht mehr zulässt und somit eine Regelung des Prozesses, insbesondere in einer Notlauffunktion, nicht ermöglicht wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzuentwickeln, dass die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden, insbesondere eine Funktionsüberwachung eines Messwertaufnehmers in einem sicherheitsrelevanten Prozeß ermöglicht wird, wobei jedoch ein konstruktiv einfacher und damit kostengünstiger Aufbau des Messwertaufnehmers ermöglicht und ein vollständiger Ausfall des Messwertaufnehmers im Wesentlichen ausgeschlossen wird. Ferner soll ein in diesem Verfahren einsetzbarer Messwertaufnehmer, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet, insbesondere konstruktiv einfach aufgebaut ist, geliefert werden.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass durch den ersten Sensor unter Verwendung eines ersten Messprinzips die Messgröße als erstes Messsignal gemessen wird und durch den zweiten Sensor unter Verwendung eines von dem ersten Messprinzip abweichenden zweiten Messprinzips die Messgröße als zweites Messsignal gemessen wird.
Mit der Erfindung wird dabei vorgeschlagen, dass das erste Messsignal mittels des ersten Sensors im wesentlichen berührungslos, vorzugsweise basierend auf einem im wesentlichen elektrischen, magnetischen, optischen und/oder elektromagnetischen Messprinzip und/oder mittels Ultraschall, gemessen wird, während das zweite Messsignal mittels des zweiten Sensors im wesentlichen berührungsbehaftet, vorzugsweise basierend auf einem zumindest teilweise mechanischen Messprinzip, gemessen wird.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zur Initialisierung des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, bei Inbetriebnahme des Messwertaufnehmers und/oder in, vorzugsweise periodischen, Abständen, das erste und/oder zweite Messsignal als Initialisierungswerte einer durch den Messwertaufnehmer überwachten Messstrecke aufgenommen wird bzw. werden, vorzugsweise durch Durchfahren zumindest eines, vorzugsweise des gesamten, Messbereichs der Messstrecke.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße duch den Messwertaufnehmer mittels zumindest eines Vergleichs des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten und/oder mittels zumindest eines Vergleichs des zweiten Messsignals mit den Initialisierungswerten bestimmt wird, wobei insbesondere bei im wesentlicher Übereinstimmung des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und den Initalisierungswerten die Messgröße zu dem ersten oder zweiten Messsignal bestimmt wird.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Funktionsüberwachung des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, durch Vergleich des ersten Messsignals und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des zweiten Messsignals, vorzugsweise durch Differenzbildung, und/oder durch Vergleich des ersten und/oder zweiten Messsignals und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des ersten und/oder Messsignals mit den Initialisierungswerten und/oder einer Ableitung der Inititialisierungswerte, vorzugsweise nach der Zeit, durchgeführt wird.
Bei der letztgenannten Alternative wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Fehlfunktion des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, erkannt wird, wenn das erste und/oder zweite Messsignal und/oder eine Ableitung des ersten und/oder zweiten Messsignals einen absoluten Maximalwert oder einen absoluten Minimalwert der Initialisierungswerte des gesamten Messbereichs überschreitet bzw. unterschreitet und/oder einen lokalen Maximalwert oder einen lokalen Minimalwert der Initialisierungswerte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Messbereichs überschreitet bzw. unterschreitet.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass zur Erkennung einer Fehlfunktion des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, zumindest einem Stellsignal des Steuer- und/oder Regelkreises, vorzugsweise während eines Betriebs, zumindest ein Prüfstellsignale überlagert wird und das erste und/oder zweite Messsignal und/oder eine Ableitung des ersten und/oder zweiten Messsignals mit zumindest einer, insbesondere aus den Initialisierungswerten berechnete Sollgröße, verglichen wird.
Bei den drei vorgenannten Alternativen wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten oder zweiten Sensors, insbesondere zum Ausgleich eines Langzeitdrifts des ersten und/oder zweiten Sensors, eine Anpassung des ersten oder zweiten Messsignals an die Messgröße, insbesondere nur für einen Teilbereich des Messbereichs und/oder für nachfolgende Messgrößenbestimmungen, durchgeführt wird, wobei vorzugsweise das erste oder zweite Messsignal mittels zumindest eines Korrekturfaktors, der insbesondere aus dem zweiten bzw. dem ersten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten berechnet wird, umgerechnet wird.
Alternativ kann dazu vorgesehen sein, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten bzw. zweiten Sensors, insbesondere zur Korrektur eines punktuellen Ausfalls des ersten oder zweiten Sensors, die Messgröße, vorzugsweise nur in einem Teilbereich der des Messbereichs und/oder für nachfolgende Messgrößenbestimmungen, zu dem zweiten bzw. dem ersten Messsignal bestimmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten und/oder des zweiten Sensors eine Notfunktion des Steuer- und/oder Regelkreises und/oder ein Alarmsignal ausgelöst wird Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass als Messgröße eine Weglänge eines, insbesondere von dem Stellgerät, vorzugsweise einem Stellventil, umfassten, Stellglieds, vorzugsweise eines pneumatischen Antriebs, und/oder ein Druck, eine Temperatur und/oder ein Durchfluß, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, gemessen wird.
Die den Messwertaufnehmer betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Messwertaufnehmer zumindest einen ersten Sensor zur Messung einer Messgröße als erstes Messignal und zumindest einen zweiten Sensor zur Messung der Messgröße als zweites Messsignale umfasst, wobei der erste Sensor nach einem ersten Messprinzip und der zweite Sensor nach einem von dem ersten Messprinzip abweichenden zweiten Messprinzip arbeitet.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass als Messgröße eine Weglänge eines, vorzugsweise drehbaren und/oder längsverschiebbaren, insbesondere von einem Stellgerät, vorzugsweise einem Stellventil, umfassten, Stellglieds, vorzugsweise eines pneumatischen Antriebs, und/oder ein Druck, eine Temperatur und/oder ein Durchfluss, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, messbar ist.
Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, dass das erste Messprinzip eine im wesentlichen berührungslose, vorzugsweise zumindest teilweise auf einem elektrischen, magnetischen, optischen und/oder elektromagnetischen Messprinzip basierende und/oder mittels Ultraschall durchgeführten Messung des ersten Messsignals umfasst, während das zweite Messprinzip eine im wesentlichen berührungsbehaftete, vorzugsweise auf einem zumindest teilweise mechanischen Messprinzip basierend, Messung des zweiten Messsignals umfasst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Messwertaufnehmers sehen vor, dass als Messgröße zumindest eine Weglänge messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor in Form eines Hall-Sensors, eines magnetisch resistiv arbeitenden und/oder eines induktiv arbeitenden Sensors ausgebildet ist und/oder der zweite Sensor zumindest ein Potentiometer umfasst.
Auch sehen vorteilhafte Ausführungsformen des Messwertaufnehmers vor, dass als Messgröße zumindest ein Druck messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor eine induktiv/kapazitiv arbeitende Vorrichtung umfasst und/oder der zweite Sensor eine piezoresistive Vorrichtung umfasst.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass als Messgröße zumindest eine Temperatur, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor eine Vorrichtung zur Analyse elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich, umfasst und/oder der zweite Sensor ein Bi-Metall und/oder einen Wärmewiderstand umfasst.
Auch wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass als Messgröße zumindest ein Durchfluss, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor eine, insbesondere optische, Vorrichtung zur Analyse von Wirbeln innerhalb des Mediums umfasst und/oder der zweite Sensor einen Turbinenzähler und/oder eine anemometrische Vorrichtung umfasst.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist zumindest eine mit dem ersten und dem zweiten Sensor verbindbare Auswerteeinrichtung, mittels der in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Messsignal die Messgröße ausgegeben wird, vorzugsweise umfassend zumindest eine Speichereinheit zur Aufnahme von Initialisierungswerten einer den Messwertaufnehmer umfassenden Messstrecke, zumindest eine Kalkulationseinheit zur Berechnung zumindest einer Ableitung, vorzugsweise nach der Zeit, des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und/oder der Initialisierungswerte, zumindest eine Vergleichseinheit zum Vergleich des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und den Initialisierungswerten untereinander bzw. deren Ableitungen und/oder zumindest eine Ausgabeeinheit zur Berechnung und Ausgabe der Messgröße und/oder eines Alarmsignals in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal, dem zweiten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten bzw. Ableitungen dieser Größen, vorgesehen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung zumindest einen Mikroprozessor umfasst, wobei vorzugsweise die Kalkulationseinheit, die Vergleichseinheit und/oder die Auswerteeinheit softwareunterstützt ausgeführt ist bzw. sind.
Schließlich wird bei den beiden vorgenannten Alternativen mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Auswerteeinheit analoge Signalverarbeitung oder diskrete, digitale Logik umfasst.
Darüber hinaus wird mit der Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers in einem Stellungsregler und/oder Stellungsrückmelder, insbesondere eines Ventils, und/oder einer Prozeßsteuerungseinheit vorgeschlagen.
Ferner wird mit der Erfindung eine Prozeßanlage umfassend einen erfindungsgemäßen Messwertaufnehmer geliefert.
Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch Einsatz von zwei Sensoren, die auf unterschiedlichen Messprinzipien basieren, zur Messung ein und derselben Messgröße eine Überwachung der Sensoren derart möglich ist, dass der Messwertauf nehmer auch in sicherheitsrelevanten Anlagen einsetzbar wird. Durch die Verwendung dieser beiden Sensoren wird der konstruktive Aufwand des Messwertaufnehmers deutlich reduziert, aber dennoch die Sicherheit und die Messwertgenauigkeit erhöht, da aufgrund der unterschiedlichen Wirkprinzipien der Sensoren die Wahrscheinlichkeit eines gleichzeitigen Ausfalls beider Sensoren minimiert wird. Die Sensoren reagieren aufgrund ihrer unterschiedlichen Messprinzipien unterschiedlich anfällig auf gegebene Umgebungsbedigungen, beispielsweise gleiche Abtastpunkte für lange Zeit, Vibrationsbelastungen und/oder chemische Belastungen. Dagegen ist beim gattungsgemäßen Einsatz von Sensoren, die auf gleichen Meßprinzipien basieren, die Wahrscheinlichkeit hoch, dass diese Sensoren aufgrund ihrer gleichen Anfälligkeit gegenüber bestimmten Prozessbedigungen gleichzeitig ausfallen und somit eine sicherheitstechnich sehr bedenkliche Situation entstehen kann. Insbesondere kommt es bei Einsatz von Sensoren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien zu einer positiven Beeinflussung der Eigenschaften der Sensoren. Die Sensoren überwachen sich durch eine Auswerteeinrichtung gegenseitig, so dass die Schwächen des einen Sensors, beispielsweise eine geringe Langzeitstabilität oder eine erhöhte Ausfallanfälligkeit bei punktuellen Belastungen, durch den zweiten Sensor ausgeglichen werden, der eine erhöhte Langzeitstabilität bzw. eine geringere Anfälligkeit bei punktueller Belastungen aufgrund seines unterschiedlichen Messprinzips aufweist. Insbesondere ist eine Überwachung derart durchführbar, dass bei einer Initialisierung typische Werte (Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung) einer Messstrecke, wie einem pneumatischen Antrieb mit Ventil, aufgenommen werden. Dabei handelt es sich beispielsweise um Werte für eine Wegstrecke, eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung innerhalb der Messstrecke. Durch eine Überwachung der von den Sensoren gelieferten Messsignale derart, dass die Messsignale auf Maximalwerte überwacht werden, die dann mit den Initialisierungswerten verglichen werden, kann eine Fehlfunktion eines Sensors erkannt werden. Beispielsweise bei einem Ausfall eines Potentiometers kann sich ein schneller Anstieg eines Wegsignals, das von dem Sensor, der das Potentiometer umfasst, geliefert wird, ergeben. Dieser Anstieg kann bei einer zeitlichen Ableitung des Wegsignals eine Geschwindigkeit ergeben, die den physikalisch möglichen Wert der Messstrecke übersteigt. Darüber hinaus führt diese erhöhte Sicherheit des Messwertaufnehmers dazu, dass bisher in Prozessanlagen übliche Grenzwertschalter, die zur sicheren Abschaltung eines Prozesses dienen, weggelassen werden können. Insbesondere kommt es aufgrund der gegenseitigen Überwachung der Sensoren zu einem Ausgleich von Langzeitdriften und somit stets zu einer korrekten Bestimmung der zu messenden Messgröße.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren anhand schematischer Zeichnungen erläutert sind.
Dabei zeigt:
1 den Einsatz einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers in einem Stellventil anhand eines Blockschemas; und
2 den Einsatz einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers in einem Stellventil anhand eines Blockschemas.
In 1 ist ein Stellventil 1 dargestellt, mittels dem ein Fluidstrom durch ein Rohr 3 regelbar ist. Das Ventil 1 ist über eine in Pfeilrichtung longitudinal verschiebbare Antriebsstange 5 mit einem Stellglied 7 verbunden. Zur Bestimmung der Position der Antriebsstange 5, und somit des Ventils 1, steht die Antriebsstange 5 mit einem erfindungsgemäßen Messwertaufnehmer 9 in Wirkverbindung. Der Messwertaufnehmer 9 ist geeignet, um eine Wegerfassung der Antriebsstange 5 zu ermöglichen. Der Messwertaufnehmer 9 umfasst einen ersten Sensor 11 sowie einen zweiten Sensor 13, die mit einer Auswerteeinheit 15, insbesondere in Form eines Mikrorechners, in Wirkverbindung stehen. Erfindungsgemäß arbeitet der erste Sensor mit einem ersten Messprinzip, das sich grundsätzlich von einem zweiten Messprinzip des zweiten Sensors 13 unterscheidet. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem ersten Messprinzip vorzugsweise um eine berührungslose Wegmessung, während der zweite Sensor 13 ein Potentiometer umfasst, welches mechanisch mit der Antriebsstange 5 verbunden ist.
Die Auswerteeinheit 15 sowie das Stellglied 7 sind über Leitungen 17 mit einer nicht dargestellten Regel- und/oder Steuereinheit zur Steuerung einer Prozessanlage, deren Bestandteil das Ventil 1 ist, verbunden. Wie im Nachfolgenden erläutert wird, ermöglicht es der Einsatz eines sowohl kostengünstigen als auch konstruktiv einfach einsetzbaren ersten Sensors 13, insbesondere in Form eines Hall-Sensors oder magnetisch resistiv bzw. induktiv arbeitend, mit einem zweiten Sensor 13, der ein Potentiometer umfasst, dass eine hohe Sicherheit sichergestellt und ferner die Messgenauigkeit erhöht wird. Wie später erläutert wird, werden die Sensoren 11, 13 gegenseitig mittels der Auswerteeinheit 15 überwacht und über die Leitung 17 eine durch die Messwerteaufnehmer bestimmte Messgröße an die Steuer- und/oder Regeleinheit weitergegeben. Insbesondere wird erreicht, dass sich die Nachteile der einzelnen Messprinzipien der Sensoren 11, 13 gegenseitig positiv beeinflussen. Während ein Potentiometer außerordentlich langzeitstabil ist, kann es bei punktuellen Belastungen (gleicher Abtastpunkt für lange Zeit und Vibrationsbelastungen gekoppelt mit chemischen Belastungen) zu Ausfällen des Sensors kommen. Dagegen weist ein berührungsloser Sensor, wie in Form des ersten Sensors 11, eine geringe Langzeitstabilität auf, während er bei punktueller Belastung vollständig verschleißfrei und damit fehlerunanfällig ist. Im Folgenden wird nunmehr die gegenseitige Überwachung der Sensoren 11, 13 innerhalb des Messwertaufnehmers 9 beschrieben:
Während der Inbetriebnahme des Ventils 1, bei der sichergestellt ist, dass die Sensoren 11, 13 voll funktionsfähig sind, werden zunächst Initialisierungsdaten derart aufgenommen, dass die Messsignale der Sensoren 11, 13 innerhalb der Auswerteeinheit 15 in einer nicht dargestellten Speichereinheit als Initialisierungswerte gespeichert werden. Es ist auch möglich, dass eine derartige Vergleichswertaufnahme während des Betriebs des Ventils 1 für den gesamten Messbereich der Sensoren 11, 13 bzw. für einzelne Teilbereiche durchgeführt wird. Während des Betriebs des Ventils 1 werden dann die Messsignale der Sensoren 11, 13 in folgender Weise ausgewertet: Das erste Messsignal des ersten Sensors 11 und das zweite Messsignal des zweiten Sensors 13 werden als Absolutwerte sowohl miteinander als auch mit den Initialisierungswerten verglichen. Dabei wird neben den Absolutwerten des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals innerhalb der Auswerteeinheit 15 sowohl die erste als auch die zweite Ableitung des ersten und zweiten Messsignals nach der Zeit gebildet. Stimmen der Absolutwert sowie die Ableitungen der ersten und zweiten Messsignale sowohl untereinander als auch mit den Initialisierungswerten im wesentlichen überein, d.h. befinden sich die Werte innerhalb eines vorbestimmten Abweichungsbandes, wird dieser Wert als von dem Messwertaufnehmer 9 aufgenommene Messgröße über die Leitung 17 ausgegeben. Kommt es jedoch zu einer zu großen Abweichung dieser Werte voneinander, so wird innerhalb des Messwertaufnehmers 9 eine Fehlererkennung bzw. eine Anpassung wie folgt vorgenommen: Weicht entweder das erste oder das zweite Messsignal einen vorbestimmten Wert von den Initialisierungswerten ab, wird daraus geschlossen, dass der betreffende Sensor, d. h. der erste Sensor 11, wenn das erste Messsignal abweicht, bzw. der zweite Sensor 13, wenn das zweite Messignal abweicht, einen Fehler aufweist. Es wird also eine Überwachung der Funktion der Sensoren 11, 13 dadurch ermöglicht, dass ein "normaler" Bewegungsablauf der Antriebsstange 5 aufgrund der Initialisierungswerte bekannt ist. Dabei ist nicht nur der Bereich der Absolutposition der Antriebsstange 5 bekannt, sondern auch, mit welcher Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung eine Bewegung der Antriebsstange 5 möglich ist. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass erkannt wird, dass einer der Sensoren 11, 13 nur in einem bestimmten Messbereich eine Fehlfunktion aufweist, wie es insbesondere beim Sensor 13 aufgrund von punktuellen Belastungen des Potentiometers vorkommen kann, oder ob eine Abweichungstendenz, wie es bei einem berührungslosen Sensor, wie dem ersten Sensor 11, der Fall sein kann, vorhanden ist. Aus den verschiedenen Fehlfunktionsarten ergeben sich verschiedene Auswertevorgänge innerhalb der Auswerteeinheit 15. Wird beispielsweise bei dem Sensor 11 ein Langzeitdrift festgestellt, so wird innerhalb der Auswerteinheit 15 ein Korrekturwert bestimmt, mittels dem das erste Messsignal verändert werden muss, um eine korrekte Messgröße zu erreichen. Bei Feststellung eines derartigen Langzeitdrifts ergibt sich der Korrekturfaktor durch die von dem zweiten Sensor 13, der aufgrund des Einsatzes eines Potentiometers eine hohe Langzeitstabilität aufweist, gemessenen zweiten Messsignale und den Initialisierungswerten. Dieser Korrekturfaktor wird insbesondere einmalig festgelegt und für nachfolgende Messgrößenbestimmungen bzw. Messungen verwendet. Wird dagegen festgestellt, dass der zweite Sensor 13 in einem bestimmten Messbereich eine punktuelle Fehlfunk tion aufweist, so wird innerhalb der Auswerteeinheit 15 für diesen Bereich, insbesondere bei nachfolgenden Messgrößenbestimmungen bzw. Messungen in diesem Bereich das erste Messsignal als Messgröße von dem Messwertaufnehmer ausgegeben. Das heisst, zur Korrektur eines Ausfalls des Sensors 13 wird in diesem Messbereich auf das erste Messsignal des kontaktlos arbeitenden Sensors 11 umgeschaltet. Ein punktueller Ausfall wird insbesondere durch Analyse der Ableitungen des zweiten Messsignals detektiert. Wird dagegen ein Vollausfall einer der Sensoren 11, 13 detektiert, so wird von der Auswerteeinheit 15 ein Alarmsignal ausgegeben, mittels dem die Steuer- und/oder Regeleinheit das Prozesssystem insbesondere in einen Notbetrieb umschaltet.
Somit ermöglicht es der Messwertaufnehmer 9, dass der Betrieb des Ventils 1 deutlich sicherer wird, da ein gleichzeitiger Ausfall beider Sensoren 11, 13 aufgrund der unterschiedlichen Messprinzipien unwahrscheinlich ist und ein Notbetrieb auch dann möglich ist, wenn einer der Sensoren vollständig ausfällt. Kommt es dagegen nur zu einer Messwertabweichung zwischen den Sensoren 11, 13, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, dass ein normaler Betrieb des Ventils 1 möglich ist, wodurch unnötige, kostenintensive Standzeiten eines Prozesssystems verhindert werden.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. eines erfindungsgemäßen Messwertaufnehmers ist jedoch nicht auf eine Wegerfassung einer longitudinalen Bewegung einer Antriebsstange eines Ventilstellungsreglers, wie in 1 dargestellt, beschränkt. In 2 ist ein Ventil 1' zur Steuerung eines Fluidsstroms durch ein Rohr 3' dargestellt. Das Ventil 1' wird über eine gemäß dem Pfeil drehbare Antriebsstange 5', die über ein Stellglied 7' angetrieben wird, verstellt. Mit dem Stellglied 7' ist ein erster Messwertaufnehmer 9' verbunden, der vom Grundaufbau im wesentlichen dem Messwertaufnehmer 9 der 1 entspricht. Lediglich die Konstruktion der Sensoren 11' und 13' ist im Vergleich zu den Sensoren 11 und 13 des Messwertaufnehmers 9 an die Messung einer Drehbewegung angepaßt. Insbesondere bei Verwendung eines Sensors 13', der ein Potentiometer umfasst, das mechanisch mit dem Stellglied 7' verbunden ist, ergibt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau des Messwertaufnehmers 9'. Im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Ventil 1 ist bei dem Ventil 1' der
2 neben dem Messwertaufnehmer 9' und dem Stellglied 7' ein weiterer Messwertaufnehmer 21' über Leitungen 17' mit einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinheit verbunden. In der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient der Messwertaufnehmer 21' zur Messung der Temperatur des durch das Rohr 3' fließenden Fluids. Zur Messung der Temperatur umfasst der Messwertaufnehmer 21' einen ersten Sensor 23', einen zweiten Sensor 25' sowie eine mit den Sensoren 23', 25' verbundene Auswerteeinheit 27'. Bei dem Messwertaufnehmer 23' handelt es sich um einen berührungslosen Messsensor, bei dem die Temperatur des Fluids im Rohr 3' mittels einer Infrarotmessung gemessen wird. Bei dem zweiten Sensor 25' handelt es sich dagegen um einen Wärmewiderstand, der im direkten Kontakt mit dem in dem Rohr 3' fließenden Fluid ist. Aufgrund dieser unterschiedlichen Messprinzipien der Sensoren 23', 25' wird ähnlich den Messwertaufnehmern 9, 9' sichergestellt, dass eine höhere Messwertgenauigkeit und einer erhöhte Sicherheit erreicht wird. So können einerseits Langzeitdrifte, wie sie insbesondere bei dem Sensor 25' auftreten können, durch die hohe Langzeitstabilität des Sensors 23' ausgeglichen werden.
Wie sich dem Fachmann in naheliegender Weise ergibt, kann ein erfindungsgemäßer Messwertaufnehmer auch für die Aufnahme weiterer Prozeßgrößen, insbesondere dem Druck oder dem Durchfluß eines Fluids verwendet werden. Als unterschiedliche Messprinzipien bietet sich hierzu zur Messung eines Drucks beispielsweise der Einsatz einer induktiv bzw. kapazitiv und damit berührungslos wirkenden Vorrichtung zur Bestimmung einer Auslenkung einer Membran auf der einen Seite und einer direkt mit der Membran verbundenen piezzoresistiven Vorrichtung bzw. einer Vorrichtung, die ein Potentiometer umfasst, an. Eine auf unterschiedlichen Messprinzipien basierende Messung eines Durchflusses ermöglicht beispielsweise einerseits eine anemometrische Messvorrichtung, bei der zwei Drähte in einer Fluidströmung angeordnet sind, wobei ein Heizdraht auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, während die Temperatur des anderen Heizdrahts einen Rückschluß auf die Strömung des die Drähte umfließenden Fluids zuläßt, und andererseits ein Vortexverfahren, bei dem berührungslos anhand der Anzahl von innerhalb eines Fluids hinter einem Verwirbelungskörper vorhandenen Wirbeln auf den Durchfluß des Fluids geschlossen werden kann.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheiten 15, 15', 27' in Form eines Mikrorechners ausgeführt sind und die Auswertung der Sensorsignale mit Hilfe eines in dem Mikrorechner abgelegten Softwareprogramms erfolgt. Eine derartige Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Auswertalgorithmen nachträglich angepaßt werden können und/oder Initialisierungswerte direkt in die Auswerteeinheit 15, 15', 27' eingegeben werden können, ohne dass eine anfängliche Initialisierungsphase notwendig ist. Diese Ausführungsform ermöglicht es auch ferner, dass eine Überwachung und Kalibrierung beider Sensoren und der Auswerteeinheit dadurch möglich wird, dass auf einen Prozeß gezielt Referenzsignale aufgeschaltet werden, um aufgrund der erhaltenen Messsignale auf eine Fehlfunktion der Sensoren schließen zu können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

1', 1: Stellventil
3', 3: Rohr
5', 5: Antriebsstange
7', 7: Stellglied
9', 9: Messwertaufnehmer
11', 11: Sensor
13', 13: Sensor
15', 15: Auswerteeinheit
17', 17: Leitung
21': Messwertaufnehmer
23': Sensor
25': Sensor
27': Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zur funktionsüberwachten Bestimmung zumindest einer Messgröße mittels eines, insbesondere von einem Steuer- und/oder Regelkreis eines Stellgeräts umfassten, Messwertaufnehmers, wobei die Messgröße sowohl mittels zumindest eines ersten Sensors als auch mittels zumindest eines zweiten Sensors gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Sensor unter Verwendung eines ersten Messprinzips die Messgröße als erstes Messsignal gemessen wird und durch den zweiten Sensor unter Verwendung eines von dem ersten Messprinzip abweichenden zweiten Messprinzips die Messgröße als zweites Messsignal gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messsignal mittels des ersten Sensors im wesentlichen berührungslos, vorzugsweise basierend auf einem im wesentlichen elektrischen, magnetischen, optischen und/oder elektromagnetischen Messprinzip und/oder mittels Ultraschall, gemessen wird, während das zweite Messsignal mittels des zweiten Sensors im wesentlichen berührungsbehaftet, vorzugsweise basierend auf einem zumindest teilweise mechanischen Messprinzip, gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Initialisierung des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, bei Inbetriebnahme des Messwertaufnehmers und/oder in, vorzugsweise periodischen, Abständen, das erste und/oder zweite Messsignal als Initialisierungswerte einer durch den Messwertaufnehmer überwachten Messstrecke aufgenommen wird bzw. werden, vorzugsweise durch Durchfahren zumindest eines, vorzugsweise des gesamten, Messbereichs der Messstrecke.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße duch den Messwertaufnehmer mittels zumindest eines Vergleichs des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten und/oder mittels zumindest eines Vergleichs des zweiten Messsignals mit den Initialisierungswerten bestimmt wird, wobei insbesondere bei im wesentlicher Übereinstimmung des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und den Initalisierungswerten die Messgröße zu dem ersten oder zweiten Messsignal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsüberwachung des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, durch Vergleich des ersten Messsignals und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des ersten Messsignals mit dem zweiten Messsignal und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des zweiten Messsignals, vorzugsweise durch Differenzbildung, und/oder durch Vergleich des ersten und/oder zweiten Messsignals und/oder einer Ableitung, vorzugsweise der ersten und/oder zweiten Ableitung nach der Zeit, des ersten und/oder Messsignals mit den Initialisierungswerten und/oder einer Ableitung der Inititialisierungswerte, vorzugsweise nach der Zeit, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fehlfunktion des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, erkannt wird, wenn das erste und/oder zweite Messsignal und/oder eine Ableitung des ersten und/oder zweiten Messsignals einen absoluten Maximalwert oder einen absoluten Minimalwert der Initialisierungswerte des gesamten Messbereichs überschreitet bzw. unterschreitet und/oder einen lokalen Maximalwert oder einen lokalen Minimalwert der Initialisierungswerte innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Messbereichs überschreitet bzw. unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer Fehlfunktion des Messwertaufnehmers, insbesondere des ersten und/oder zweiten Sensors, zumindest einem Stellsignal des Steuer- und/oder Regelkreises, vorzugsweise während eines Betriebs, zumindest ein Prüfstellsignale überlagert wird und das erste und/oder zweite Messsignal und/oder eine Ableitung des ersten und/oder zweiten Messsignals mit zumindest einer, insbesondere aus den Initialisierungswerten berechnete Sollgröße, verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten oder zweiten Sensors, insbesondere zum Ausgleich eines Langzeitdrifts des ersten und/oder zweiten Sensors, eine Anpassung des ersten oder zweiten Messsignals an die Messgröße, insbesondere nur für einen Teilbereich des Messbereichs und/oder für nachfolgende Messgrößenbestimmungen, durchgeführt wird, wobei vorzugsweise das erste oder zweite Messsignal mittels zumindest eines Korrekturfaktors, der insbesondere aus dem zweiten bzw. dem ersten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten berechnet wird, umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten bzw. zweiten Sensors, insbesondere zur Korrektur eines punktuellen Ausfalls des ersten oder zweiten Sensors, die Messgröße, vorzugsweise nur in einem Teilbereich der des Messbereichs und/oder für nachfolgende Messgrößenbestimmungen, zu dem zweiten bzw. dem ersten Messsignal bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer Fehlfunktion des ersten und/oder des zweiten Sensors eine Notfunktion des Steuer- und/oder Regelkreises und/oder ein Alarmsignal ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße eine Weglänge eines, insbesondere von dem Stellgerät, vorzugsweise einem Stellventil, umfassten, Stellglieds, vorzugsweise eines pneumatischen Antriebs, und/oder ein Druck, eine Temperatur und/oder ein Durchfluß, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, gemessen wird.
Messwertaufnehmer, insbesondere zur Verwendung in dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend zumindest einen ersten Sensor zur Messung einer Messgröße als erstes Messsignal und zumindest einen zweiten Sensor zur Messung der Messgröße als zweites Messsignal, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sensor (11, 11', 23') nach einem ersten Messprinzip und der zweite Sensor (13, 13', 25) nach einem von dem ersten Messprinzip abweichenden zweiten Messprinzip arbeitet.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße eine Weglänge eines, vorzugsweise drehbaren und/oder längsverschiebbaren, insbesondere von einem Stellgerät, vorzugsweise einem Stellventil (1, 1'), umfassten, Stellglieds (5, 5'), vorzugsweise eines pneumatischen Antriebs, und/oder ein Druck, eine Temperatur und/oder ein Durchfluss, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts (1, 1') regelbaren Mediums, messbar ist.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messprinzip eine im wesentlichen berührungslose, vorzugsweise zumindest teilweise auf einem elektrischen, magnetischen, optischen und/oder elektromagnetischen Messprinzip basierende und/oder mittels Ultraschall durchgeführten Messung des ersten Messsignals umfasst, während das zweite Messprinzip eine im wesentlichen berührungsbehaftete, vorzugsweise auf einem zumindest teilweise mechanischen Messprinzip basierend, Messung des zweiten Messsignals umfasst.
Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße zumindest eine Weglänge messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor (11, 11') in Form eines Hall-Sensors, eines magnetisch resistiv arbeitenden und/oder eines induktiv arbeitenden Sensors ausgebildet ist und/oder der zweite Sensor (13, 13') zumindest ein Potentiometer umfasst.
Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße zumindest ein Druck messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor eine induktiv/kapazitiv arbeitende Vorrichtung umfasst und/oder der zweite Sensor eine piezoresistive Vorrichtung umfasst.
Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße zumindest eine Temperatur, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor (23') eine Vorrich tung zur Analyse elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich, umfasst und/oder der zweite Sensor (25') ein Bi-Metall und/oder einen Wärmewiderstand umfasst.
Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgröße zumindest ein Durchfluss, vorzugsweise eines mittels des Stellgeräts regelbaren Mediums, messbar ist, wobei vorzugsweise der erste Sensor eine, insbesondere optische, Vorrichtung zur Analyse von Wirbeln innerhalb des Mediums umfasst und/oder der zweite Sensor einen Turbinenzähler und/oder eine anemometrische Vorrichtung umfasst.
Messwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch zumindest eine mit dem ersten (11, 11', 23') und dem zweiten (13, 13', 25') Sensor verbindbare Auswerteeinrichtung (15, 15', 17), mittels der in Abhängigkeit von dem ersten und dem zweiten Messsignal die Messgröße ausgegeben wird, vorzugsweise umfassend zumindest eine Speichereinheit zur Aufnahme von Initialisierungswerten einer den Messwertaufnehmer (9, 9', 21') umfassenden Messstrecke, zumindest eine Kalkulationseinheit zur Berechnung zumindest einer Ableitung, vorzugsweise nach der Zeit, des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und/oder der Initialisierungswerte, zumindest eine Vergleichseinheit zum Vergleich des ersten Messsignals, des zweiten Messsignals und den Initialisierungswerten untereinander bzw. deren Ableitungen und/oder zumindest eine Ausgabeeinheit zur Berechnung und Ausgabe der Messgröße und/oder eines Alarmsignals in Abhängigkeit von dem ersten Messsignal, dem zweiten Messsignal und/oder den Initialisierungswerten bzw. Ableitungen dieser Größen.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (15, 15', 17') zumindest einen Mikroprozessor umfasst, wobei vorzugsweise die Kalkulationseinheit, die Vergleichseinheit und/oder die Auswerteeinheit softwareunterstützt ausgeführt ist bzw. sind.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15, 15', 17') analoge Signalverarbeitung oder diskrete, digitale Logik umfasst.
Verwendung eines Messwertaufnehmers nach einem der Ansprüche 12 bis 21 in einem Stellungsregler und/oder Stellungsrückmelder, insbesondere eines Ventils, und/oder einer Prozeßsteuerungseinheit.
Prozeßanlage umfassend einen Meßwertaufnehmer nach einem der Ansprüche 12 bis 21.