DE10325799B3 - Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer. Durch einen Ultraschallwandler (16) wird in die Flüssigkeit eine Ultraschallwelle (18) eingeleitet und überprüft, ob sich eine physikalische Eigenschaft der Flüssigkeit verändert, die vom Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit abhängig ist. Ein Signal (17) wird zur Anzeige ausgegeben, ob eine erfasste Veränderung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Bei einem Druckmessumformer wird der Druckmesswert zur Detektion einer Gasblasenbildung überwacht.

Description

• Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
• Druckmessumformer werden häufig für die Messung eines Absolutdruckes eingesetzt. Die Messung des angelegten Drucks erfolgt dabei in Abhängigkeit eines Referenzdruckes, der zuvor auf einen definierten Absolutdruck eingestellt wurde. Dies gilt unabhängig von dem angewandten Verfahren zur mechanischelektrischen Signalwandlung, die beispielsweise induktiv, kapazitiv oder piezoresistiv erfolgen kann. Häufig wird der Referenzdruck fertigungstechnisch auf einen Wert von weniger als 1 mbar absolut festgelegt. Wie bereits aus der Offenlegungsschrift DE 43 08 718 A1 bekannt, werden Druckmessumformer mit einer Druckübertragungsflüssigkeit, in der Regel mit einem Silikonöl, befüllt, um einen direkten Kontakt zwischen einem Drucksensor und einem Druckanschluss zu vermeiden. Jede der beiden Messkammern eines Druckdifferenzmessumformers wird über einen Einfüllkanal befüllt, nachdem die jeweilige Messkammer evakuiert worden ist. Bei der Befüllung jeder Messkammer mit einer Druckübertragungsflüssigkeit ist darauf zu achten, dass in jede Messkammer ein definiertes Volumen an Druckübertragungsflüssigkeit eingebracht wird. Das Befüllen erfolgt mit einer unter Unterdruck stehenden Druckübertragungsflüssigkeit unter Einfluss der Schwerkraft. Danach wird jeder Einfüllkanal verschlossen und der Verschluss gesichert.
• Zusätzlich zur Evakuierung kann eine Druckmesszelle des Messumformers vor der Befüllung vorbeheizt werden, um sicherzustellen, dass alle Gas- und Flüssigkeitsanteile aus dem Ölraum entfernt wurden. Rückstände von Flüssigkeiten oder Gasen würden im Messbereich zu einer erhöhten Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes führen, welche deren Kompensation erschweren würde. Durch Verunreinigungen bedingte Ausgasungen würden zudem zu einer Nichtlinearität im Temperaturverhalten und zu einem erhöhten Hysterese-Effekt führen. Es ist daher von großer Bedeutung für die Messgenauigkeit von Druckmessumformern, dass die Vakuumfestigkeit der Druckübertragungsflüssigkeit sichergestellt wird, das heißt, dass dafür Sorge getragen wird, dass sich im Messbereich des Messumformers zumindest bis zum Erreichen des Referenzdruckes keine Gasblasen in der Flüssigkeit bilden. Eine Überprüfung der Vakuumfestigkeit eines befüllten Messumformers ist vergleichsweise aufwendig, da sie eine Temperaturfahrt mit Druckbeaufschlagung auf einem Prüfstand erfordert. Zudem gibt es keine Diagnosemöglichkeit für Geräte, die sich im Einsatz in einer Anlage befinden. Diese müssten zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit aus der Anlage entfernt und in einen Prüfstand eingebaut werden. Daher wird die Langzeitstabilität von Druckmessumformern derzeit nicht oder nur sehr selten überprüft. Damit verbunden ist eine schleichende Verschlechterung der Messgenauigkeit, die häufig nicht festgestellt und behoben wird.
• Aus der SU 1 707 491 A1 ist ein Verfahren zum Messen des Drucks von gesättigtem Erdöldampf bekannt, bei welchem die Absorption von Ultraschall in zwei verschiedenen Zuständen gemessen wird. In einem ersten Zustand befindet sich das Erdöl auf Normaltemperatur, in einem zweiten Zustand bei einer Temperatur unterhalb des Siedepunkts. Auf der Basis vorbestimmter Kalibrierwerte wird in Abhängigkeit dieser Werte der Druck eines gesättigten Erdöldampfes bestimmt.
• Aus der RU 2 033 254 C1 ist ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten bekannt, bei welchem Druckwellen in die Flüssigkeit eingeleitet werden, so dass sich in Phasen niedrigen Drucks Gasblasen bilden, die sich in Phasen hohen Drucks wieder auflösen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer zu finden, das mit einem geringeren Aufwand verbunden ist, und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe weist das Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 4 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
• Das Verfahren bietet als eine Art Stresstest in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Vakuumfestigkeit mit Druckübertragungsflüssigkeit befüllter Messumformer nicht nur in der Fertigungsprüfung sondern auch am Einsatzort zu testen und zu verifizieren. Dabei ist die Durchführung des Verfahrens mit einem besonders geringen Aufwand verbunden.
• Das Einleiten einer Ultraschallwelle in eine Flüssigkeit führt zu deren Entgasen. Dieser Effekt basiert weitgehend auf der Kavitation und der Unterschreitung des Dampfdrucks in den Verdünnungsphasen der Kompressionswelle. Dabei können so genannte Kavitationskeime, beispielsweise Mikroblasen oder Festkörperpartikel, unterstützend wirken. Durch die Kavitation werden molekulare Bindungen gelockert, wodurch gelöste Wasseranteile oder andere, bei geringem Druck siedende Bestandteile in die Gasphase treten können. Die Erfindung be ruht auf der Erkenntnis, dass diese Entgasungswirkung einer in eine Flüssigkeit eingeleiteten Ultraschallwelle zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit der Flüssigkeit genutzt werden kann. Insbesondere bei einem Silikonöl, das als Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer eingesetzt wird, entstehen, wenn die Beschallung bei einem angelegten Absolutdruck in der Nähe des unteren Messbereichsendes stattfindet, durch die Kompressionswelle lokale Unterdruckphasen, in denen besonders tiefe Drücke erreicht werden.
• Die Schallwelle wird in einen mit der Flüssigkeit befüllten Druckmessumformer eingeleitet und es wird eine Veränderung des Messsignals des Druckmessumformers zur Überprüfung der Gasblasenbildung ausgewertet. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders einfache Überprüfung der Vakuumfestigkeit der Flüssigkeit und damit des Druckmessumformers erreicht wird. Eine Veränderung physikalischer Eigenschaften der Flüssigkeit wird dabei indirekt über eine Veränderung des Messsignals ermittelt und ausgewertet, so dass keine zusätzliche Messeinrichtung zur direkten Erfassung der Veränderung einer physikalischen Eigenschaft der Flüssigkeit erforderlich ist.
• Die Verwendung einer Frequenz der Ultraschallwelle zwischen 30 kHz und 300 kHz hat bei einem Silikonöl, das für den Einsatz als Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer oder einem Druckmittler geeignet ist, den Vorteil, dass eine besonders gute Entgasungswirkung bei dieser Ölart erreicht wird.
• Zur Überprüfung der Gasblasenbildung kann bei einem befüllten Druckmessumformer eine Veränderung der Temperaturabhängigkeit des Messsignals ausgewertet werden. Da sich eine temperaturbedingte Ausdehnung von Gasen erheblich von derjenigen von Flüssigkeiten unterscheidet, ist eine Gasblasenbildung bei dieser Vorgehensweise deutlich erkennbar.
• Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens als Bestandteil eines Druckmessumformers auszubilden hat den Vorteil, dass sie eine Überprüfung des Druckmessumformers im eingebauten Zustand in einer Anlage ermöglicht, ohne den Druckmessumformer umständlich ausbauen und in eine gesonderte Prüfeinrichtung einbauen zu müssen. Zudem ist bei einer derartigen Ausgestaltung in vorteilhafter Weise eine Ferndiagnose mit Übertragung des Diagnoseergebnisses beispielsweise über einen Feldbus möglich, über den üblicherweise Messumformer mit einer übergeordneten Leitstation in einer prozesstechnischen Anlage kommunizieren.
• Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
• Die Figur zeigt einen Druckmessumformer 1 mit längsgeschnittener Druckmesszelle in einer Prinzipdarstellung. Der Druckmessumformer 1 weist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Innengehäuse 2 auf mit einer zentralen Ausnehmung, die durch eine Mittenmembran 3 in zwei Kammern 4 und 5 unterteilt ist. Die Mittenmembran 3 trägt einen druckempfindlichen Sensor 6, der ein Messsignal 8 an eine Auswerteeinrichtung 7 abgibt. Zum Schutz des Sensors 6 vor Überlast und chemischen Einflüssen dienen zwei Trennmembrane 9 und 10. Die Trennmembrane 9 begrenzt eine Referenzdruckkammer 11, die durch eine Ausnehmung in einer Kappe 12 realisiert ist. Die Trennmembran 10 trennt den Sensor 6 von einem Messmedium, das mit dem zu messenden Druck durch einen Einlass 13 in eine Messdruckkammer 14, die sich in einer Kappe 15 befindet, zugeführt wird. Die beiden Kammern 4 und 5 sind mit einer exakt bemessenen Menge eines Silikonöls befüllt. Der Referenzdruck in der Kammer 11 ist fertigungstechnisch auf einen Wert von höchstens 1 mbar absolut eingestellt. Das Silikonöl als Druckübertragungsflüssigkeit wird in einer beispielsweise aus der eingangs angeführten DE 43 08 718 A1 bekannten Weise nach Evakuierung in die Kammern 4 und 5 eingefüllt.
• Die Geometrie des Kammervolumens und die Druckübertragungsflüssigkeit werden so spezifiziert, dass der Innendruck der Flüssigkeit bei minimalem Prozessdruck, in diesem Fall absolutem Vakuum, und maximaler Prozesstemperatur den Dampfdruck des Öls und der maximal darin enthaltenen, gelösten Stoffe nicht übersteigt. Im Messbetrieb dürfen nämlich keine Gasblasen in der Druckübertragungsflüssigkeit entstehen, da diese aus folgenden Gründen die Messgenauigkeit erheblich verschlechtern würden:
• – Sobald geringe Anteile der Druckübertragungsflüssigkeit in die Gasphase übergehen, verändert sich der Temperaturgradient der Druckmesswerte signifikant aufgrund des ungleich größeren Volumenausdehnungskoeffizienten von Gasen gegenüber demjenigen von Flüssigkeiten. Der Einfluss der Volumenausdehnung des Silikonöls bei Temperaturänderungen wird durch eine Korrekturfunktion kompensiert. Ein möglicher Einfluss einer Gasausdehnung, einer Entstehung oder einer Auflösung von Gasblasen ist praktisch nicht kompensierbar, da sich dieser Vorgang unkontrolliert und im Übergangsbereich von der flüssigen zur gasförmigen Phase stark nichtlinear verhält.
• – Wird durch Anlegen eines Druckes und einer Prozesstemperatur der Dampfdruck von gelösten Bestandteilen des Silikonöls unterschritten, äußert sich dies in einer sprunghaften Änderung des gemessenen Druckes, da innerhalb des weitgehend konstanten Volumens der Ölkammer ein plötzlicher Druckanstieg registriert wird. Dieser Vorgang ist reversibel und mit einer merklichen Hysterese im Übergangsbereich zwischen dem gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand behaftet.
• Ein fehlerfrei arbeitender Druckmessumformer ist im gesamten spezifizierten Druck- und Temperaturbereich vakuumfest. Er zeigt keinerlei Drift auch nach einem Langzeiteinsatz unter Vakuum. Dies setzt voraus, dass die Druckübertragungsflüssigkeit vollständig vakuumfest ist und auch keine Restbestandteile in den Druckkammern nach der Evakuierung verblieben sind. Durch Einleiten einer Schallwelle 18, vorzugsweise einer Ultraschallwelle mit einer Frequenz von 100 kHz, mit Hilfe eines Wandlers 16 über das Gehäuse 2 entstehen in dem Silikonöl, das sich in den Kammern 4 und 5 zwischen der Trennmembran 9 und der Mittenmembran 3 bzw. zwischen der Trennmembran 10 und der Mittenmembran 3 befindet, lokale Unter- und Überdruckphasen. Diese Einleitung wird durch die Auswerteeinrichtung 7 zyklisch zur Diagnose des Messumformerzustands angestoßen. Das Ergebnis der Diagnose wird durch ein Anzeigesignal 17, beispielsweise über einen Feldbus, einer übergeordneten Leitstation, die in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist, angezeigt. Im Schlechtfall, wenn also die Diagnose ergeben hat, dass das in den Kammern 4 und 5 befindliche Silikonöl nicht mehr vakuumfest ist, können durch das Wartungspersonal geeignete Maßnahmen zur Behandlung oder Beseitigung des Fehlers eingeleitet werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann ein Verlust der Vakuumfestigkeit in einfacher Weise dadurch festgestellt werden, dass sich das Messsignal 8 bei konstantem Prozessdruck nach einer Beschallung um einen größeren Betrag verändert, als es durch einen vorgegebenen Grenzwert zugelassen wird. Der sich verändernde Druck in der Druckübertragungsflüssigkeit wird also genutzt, um eine Gasblasenbildung in der Flüssigkeit festzustellen. Alternativ dazu könnte selbstverständlich auch jede andere physikalische Eigenschaft zur Erkennung einer Gasblasenbildung herangezogen werden, die sich in Abhängigkeit davon detektierbar verändert.
• Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Einleitung einer Schallwelle durch Tauchen oder teilweises Eintauchen einer Druckmesszelle in ein Ultraschallbecken erfolgen. Dieses Vorgehen bietet sich im Herstellungsprozess des Messumformers an, da eine fehlerhafte Vakuumfestigkeit der Druckmesszelle bereits vor der vollständigen Montage des Messumformers erkannt werden kann und die damit verbundenen Kosten geringer sind.
• Als weitere Alternative zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Ultraschallwandler nicht am Gehäuse 2 sondern an anderen damit fest verbundenen Teilen des Messumformers, beispielsweise an einer der Kappen 12 oder 15 angekoppelt werden. Die gute Übertragung eines Schallsignals durch metalli sche Wände erleichtert den Anbau des Wandlers und es reicht bereits eine lokale Einkopplung einer Schallwelle aus.
• Die Wahl der Frequenz des Schallwandlers erfolgt abhängig von der verwendeten Druckübertragungsflüssigkeit. Bei dem üblicherweise in Druckmessumformern verwendeten Silikonöl hat es sich herausgestellt, dass die Vakuumfestigkeit mit einer Frequenz zwischen 30 kHz und 300 kHz sehr gut überprüft werden kann.
• Als weitere Alternative kann die Einrichtung zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit als eine portable Diagnoseeinrichtung ausgebildet sein, die zu Wartungszwecken vom Servicepersonal mitgeführt und zur Diagnose vor Ort an einem zu prüfenden Druckmessumformer angeschlossen wird. Die Herstellungskosten der einzelnen Druckmessumformer werden bei dieser Alternative nicht durch das neue Diagnoseverfahren beeinflusst.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ultraschallwelle (18) zur Entgasung der Flüssigkeit in den mit der Flüssigkeit befüllten Druckmessumformer (1) eingeleitet wird, dass überprüft wird, ob sich das Messsignal des Druckmessumformers (1), das vom Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit abhängig ist, verändert und dass ein Signal ausgegeben wird zur Anzeige, ob eine erfasste Veränderung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein zur Verwendung als Druckübertragungsflüssigkeit geeignetes Silikonöl ist und dass die Frequenz der Ultraschallwelle zwischen 30 kHz und 300 kHz beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Temperaturabhängigkeit des Messsignals zur Überprüfung der Gasblasenbildung ausgewertet wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Überprüfung der Vakuumfestigkeit einer Druckübertragungsflüssigkeit in einem Druckmessumformer, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ultraschallwandler (16) zur Einleitung einer Ultraschallwelle (18) zur Entgasung der Flüssigkeit in den mit der Flüssigkeit befüllten Druckmessumformer (1) und eine Auswerteeinrichtung (7) vorhanden sind zur Überprüfung, ob sich das Messsignal des Druckmessumformers (1), das vom Vorhandensein von Gasblasen in der Flüssigkeit abhängig ist, verändert, und zur Erzeugung einer Ausgabe eines Signals (17) zur Anzeige, ob eine erfasste Veränderung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.