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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zustandsüberwachung
eines Druckmesswerks in einem Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Druckaufnehmer
werden in vielen Prozessen der Industrie und in unterschiedlicher
Ausbildung als Absolut- oder Differenz- oder Relativdruckaufnehmer genutzt,
beispielsweise bei der Wirkdruckmessung oder bei der Messung von
Pegelunterschieden in Tanks. Ein Problem besteht nun darin, dass
nur bei einem seit der letzten Kalibrierung unverändertem Druckmesswerk
des Druckaufnehmers ein zuverlässiger
Messwert gebildet werden kann, während
bei einer Schädigung
des Druckmesswerks (z. B. Verletzung (Riss) einer oder mehrerer
Trennmembranen, Verformungen des Druckmesswerks, Korrosion mit sich
dadurch ändernder
mechanischer Eigenschaften der Trennmembrane, Änderungen der Ölbefüllung, Bildung
von Gasblasen in der Ölbefüllung) der gebildete
Messwert fehlerbehaftet ist. Zur Überprüfung der Vertrauenswürdigkeit
der angezeigten Messwerte ist es deshalb vielfach üblich, redundante Druckaufnehmer
vorzusehen.
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Allgemein
hat jedoch die Benutzung eines weiteren Druckaufnehmers zur Überprüfung des
eigentlichen Sensors bzw. Druckmesswerks den Nachteil, dass man
einem weiteren Messwert eines weiteren (anderen) Messelementes vertrauen
muss. Ferner steigt der apparative Aufwand stark an, wenn weitere
Sensoren integriert werden müssen,
da auch diese ausgewertet werden müssen. Je nach Ausführung ist
der Aufwand erheblich, insbesondere wenn beim weiteren Messelement
ein unterschiedliches Messverfahren angewandt werden muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung
zur Detektion von Änderungen
der Druckmesswerkeigenschaften anzugeben, die zu einer Verfälschung
der Messwerte führen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass beim vorgeschlagenen Druckmesswerk mit integriertem Prüfelement quasi
eine Sensorselbstdiagnose erfolgt. Es ist kein weiterer Sensor inklusive
aufwendiger Auswerteeinrichtung erforderlich, sondern es wird mit
Hilfe des vorhandenen Systems eine zuverlässige Aussage darüber getroffen,
ob sich die Eigenschaften des Druckmesswerks in unzulässiger Weise
geändert
haben.
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Weitere
Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Differenzdruckaufnehmers mit integriertem
Prüfelement,
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2 eine
Zeitreihe der Sensorantwort auf mechanische Last bei Membranriss,
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3 eine
Schaltungsanordnung zur Sensorselbstdiagnose.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines Differenzdruckaufnehmers mit
integriertem Prüfelement
dargestellt. Es ist eine Messzelle bzw. Druckmesswerk 1 zu
erkennen, welche über
eine erste Membran 3a respektive über eine zweite Membran 3b mit
einem ersten Druck p1 respektive mit einem (hierzu gegebenenfalls
unterschiedlichen) zweiten Druck p2 beaufschlagbar ist, wobei die
beiden Drücke
p1, p2 gleichzeitig auf die Membranen 3a, 3b einwirken.
Die über
die Membranen 3a respektive 3b detektierten Drücke werden
gleichzeitig über
einen ersten flüssigkeitsgefüllten Kanal 2a respektive
einen zweiten flüssigkeitsgefüllten Kanal 2b in
eine gemeinsame, ebenfalls flüssigkeitsgefüllte Kammer 5 geleitet. Üblicherweise
wird in den Kanälen 2a, 2b und
in der Kammer 5 Öl
als Flüssigkeit
eingesetzt. In der flüssigkeitsgefüllten Kammer 5 befindet
sich ein drucksensitives Element 4, zumeist aus einem piezoresistiven
Material oder alternativ aus einer Messzelle bestehend, deren Kapazität oder Induktivität sich mit änderndem
Druck ändert.
Da die beiden Drücke p1
und p2 gleichzeitig auf das drucksensitive Element 4 einwirken,
wird vom drucksensitiven Element 4 (Messsensor) lediglich
die Druckdifferenz zwischen beiden Drücken p1, p2 registriert.
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Bei
Auftreten eines Defektes am Druckmesswerk 1 (beispielsweise
Riss einer der Membranen 3, 3b) ändert sich
bei der Detektion der Druckdifferenz – zumindest im ersten Augenblick – nichts,
da sich lediglich das vermittelnde Medium der hydrostatischen Kraft
verändert
hat, d. h. eine Flüssigkeit
(im Kanal 2a oder 2b und eventuell in der Kammer 5)
ist gegen ein Gas (Luft) oder eine andere Flüssigkeit ausgetauscht worden.
Zusätzlich ändern sich
die mechanischen Eigenschaften der Trennmembran, insbesondere die Rückstellkraft.
Die Veränderung
infolge eines Defekts äußert sich
dadurch einerseit in einer veränderten
Zeitantwort des Systems durch geänderte
Kompressibilität
der Füllung.
Andererseits ändert
sich auch die Antwort der Messzelle auf eine definierte Volumenänderung
des Druckmesswerk-Innenraums (ausgelöst durch ein Prüfelement).
Die Größe des durch
eine Volumenänderung
eines Prüfelements verursachten
Differenzdruck-Unterschieds unterscheidet sich signifikant von der
eines unbeschädigten
Druckmesswerks.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist deshalb die Integration eines Prüfelementes 6 in der
Messzelle bzw. im Druckmesswerk 1 bzw. in der flüssigkeitsgefüllten Kammer 5.
Das Prüfelement 6 ist
vorzugsweise piezoelektrisch und kann durch Anlegen einer elektrischen
Spannung zu Volumenänderungen
angeregt werden. Die durch das Ausdehnen bedingte Volumenvergrößerung in
der flüssigkeitsgefüllten Kammer 5 äußert sich
als Druckanstieg in der Messzelle 1, was durch das drucksensitive
Element 4 registriert wird.
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Liegt
nun eine Schädigung
des Druckmesswerks 1 vor, so ändert sich die mechanische
Last an dem drucksensitiven Element 4. Beispielsweise wird eine
Verletzung einer Membran sich im Allgemeinen in einer verringerten
mechanischen Last am drucksensitiven Element 4 äußern. Mit
anderen Worten ist die vom Prüfelement 6 bei
einer bestimmten Volumenvergrößerung verursachte
Druckänderung
am drucksensitiven Element 4 bei intakter Membrane größer als
bei verletzter Membrane. Die Ursache liegt darin, dass eine intakte
Membran eine definierte mechanische Spannung aufweist, welche Einfluss
auf die Messung des Differenzdruckes hat. Bei Verletzung der Membran
entfällt
diese definierte mechanische Spannung. Zusätzlich kann das vom Prüfelement
verdrängte
Flüssigkeitsvolumen
aus dem Druckmesswerk 1 ausströmen, so dass nach Abklingen
dieses Austauschvorgangs der vom drucksensitiven Element 4 detektierte
Druck wieder auf das Niveau vor der Volumenänderung zurückgeht.
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In 2 ist
eine Zeitreihe der Sensorantwort auf die mechanische Last bei Membranriss
dargestellt. Mit Bezugszeichen 7 ist eine mit dem drucksensitiven
Element 4 aufgenommene "Referenzkurve" bei intakten Membranen 3a, 3b,
komplett flüssigkeitsgefüllter Kammer 5 und
komplett flüssigkeitsgefüllten Kanälen 2a, 2b dargestellt,
während
mit Bezugszeichen 8 eine mit dem drucksensitiven Element 4 aufgenommene "detektierte Kurve" bei defekter Membran
und/oder mangelhafter Flüssigkeitsfüllung der
Kanäle 2a, 2b und/oder
der Kammer 5 gezeigt ist. Die Zeit t ist auf der horizontalen
Achse eingetragen, während
die vertikale Achse Spannungswerte und/oder Stromwerte und/oder
Lastwerte angibt. Es ist eine signifikante Phasenverschiebung (inklusive der
erkennbar signifikant unterschiedlichen Anstiegsgeschwindigkeiten)
zwischen beiden Kurven 7 und 8 zu erkennen. Überschreitet
diese Phasenverschiebung zwischen Referenzkurve 7 und detektierter
Kurve 8 einen vorgegebenen Toleranzwert, so ist ein Membranriss
und/oder Flüssigkeitsverlust
in Kanal 2a und/oder Kanal 2b und/oder flüssigkeitsgefüllter Kammer 5 detektiert.
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Der
tatsächliche
Wert (Amplitude) des aktuell anliegenden Drucks p1 oder p2 ist dabei
unerheblich, da für
die Sensorselbstdiagnose vor allem die auftretende Phasenverschiebung
und die Druckänderung vor
und nach der Ansteuerung des Prüfelements 6 zwischen
den Kurven 7, 8 interessant ist.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt,
wird in gleicher Weise wie ein Membranriss durch die Sensorselbstdiagnose
eine Leckage bei den Kanälen 2a und/oder 2b und/oder
der flüssigkeitsgefüllten Kammer 5 festgestellt,
da ein Flüssigkeitsverlust
(Ölverlust)
mit einem Austausch von Öl
gegen Luft oder einem anderen Gas der Umgebung einhergeht. Die unterschiedliche
Kompressibilität
zwischen der Flüssigkeit
(Öl) und
dem Gas oder einer anderen Flüssigkeit bewirkt
wiederum eine bei der Sensorselbstdiagnose auftretende signifikante
Phasenverschiebung zwischen Referenzkurve 7 und detektierter
Kurve 8.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
kann die detektierte Kurve 8 beim Ausströmen von
Flüssigkeitsvolumen
aus dem Druckmesswerk 1 wieder auf das Niveau vor der Volumenänderung
zurückgehen, was
durch einen gestrichelten Kurvenzug angedeutet ist.
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In 3 ist
eine Schaltungsanordnung zur Selbstdiagnose dargestellt. Wie zu
erkennen ist, ist das hier beispielhaft als piezoelektrisches Element ausgebildete
Prüfelement 6 mit
einer Energieeinspeiseeinrichtung 9 zur Spannungs-/Stromversorgung verbunden.
Das drucksensitive Element 4 ist an eine Auswerteeinrichtung 10 angeschlossen.
Eine Diagnosesteuerung/-auswertung 11 (mit Vergleicher
und Speicher zur Abspeicherung der Referenzkurve 7) dient
zur Ansteuerung der Energieeinspeiseeinrichtung 9 und der
Auswerteeinrichtung 10.
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In
fest vorgegebenen Zeitabständen
T1 steuert die Diagnosesteuerung 11 die Energieeinspeiseeinrichtung 9 an,
so dass während
eines fest vorgegebenen Diagnose-Zeitintervalls
T2 eine Beaufschlagung des Prüfelements 6 mit
elektrischer Energie er folgt. Dies bewirkt die vorstehend erwähnte Volumenausdehnung
des Prüfements 6.
Die Auswerteeinrichtung 10 erfasst den vom drucksensitiven
Element 4 während
des Zeitintervalls T2 gemeldeten Kurvenverlauf, wie unter der Beschreibung
zu 2 erwähnt.
Die Diagnosesteuerung/-auswertung 11 vergleicht den aktuell
gemeldeten Kurvenverlauf mit dem abgespeicherten Kurvenverlauf gemäß Referenzkurve 7.
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Bei
intaktem Druckmesswerk 1 ergibt sich während des Diagnose-Zeitintervalls
T2 eine registrierte Kurve ähnlich
der Referenzkurve 7. Wenn jedoch Ändungen am Druckmesswerk 1 eingetreten sind
(wie z. B. der Riss einer oder meherer Membranen 3a und/oder 3b und/oder
eine Leckage in einem Kanal 2a und/oder 2b und/oder
eine Leckage in der flüssigkeitsgefüllten Kammer 5 vorliegt),
ergibt sich eine registrierte Kurve ähnlich der Kurve 8 gemäß 2,
bei welcher die Phasenverschiebung und der durch die Volumenänderung
ausgelöste
Druckunterschied im Vergleich zur Referenzkurve 7 einen
vorgegebenen Toleranzwert überschreiten.
Folglich beaufschlagt die Diagnosesteuerung/-auswertung 11 die Anzeigevorrichtung 12,
um das gestörte
Druckmesswerk 1 zu melden (Störungsmeldung).
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Der
während
des Diagnose-Zeitintervalls T2 auftretende Messwert des Druckmesswerks 1 (hier Differenzdruckaufnehmer)
wird selbstverständlich nur
für die
Diagnose herangezogen, jedoch nicht als Sensorsignal für die übergeordnete
Mess- und Regelanlage verwendet.
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Bei
einem System mit einer Vielzahl von Druckmesswerken 1 (hier
Differenzdruckaufnehmern) können
Energieeinspeiseeinrichtung 9, Auswerteeinrichtung 10,
Diagnosesteuerung/-auswertung 11 und Anzeigevorrichtung 12 vorteilhaft
für alle Druckmesswerke 1 verwendet
werden, wobei eine sukzessive Beaufschlagung der einzelnen Druckmesswerke
erfolgt.
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Die
Länge des
Diagnose-Zeitintervalls T2 sowie die Länge der Zeitintervalle T1 zwischen
zwei Diagnosen können
in einem weiten Bereich variiert werden, wobei selbstverständlich Kriterien
der übergeordneten
Mess- und Regelanlage berücksichtigt werden.
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Die
Erfindung ist vorstehend am Beispiel eines Differenzdruckaufnehmers
erläutert.
In gleicher Art und Weise ist die Erfindung auch bei Absolutdruckaufnehmern
und bei Relativdruckaufnehmern verwendbar. Beim Absolutdruckaufnehmer
sind selbstverständlich
lediglich ein flüssigkeitsgefüllter Kanal
und eine Membran erforderlich. Beim Relativdruckaufnehmer wird ein
interessierender Druck (Prozessdruck) mit dem Umgebungsdruck verglichen.
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Als
Prüfelement 6 wird
vorstehend ein piezoelektrisches Element eingesetzt. Alternativ
sind auch andere Prüfelemente
verwendbar, bei denen eine Volumenänderung vorzugsweise elektrisch
initiierbar und realisierbar ist. In gleicher Art und Weise kann die
Volumenänderung
selbstverständlich
auch auf nichtelektrische Weise, beispielsweise pneumatisch, initiiert
werden.
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- 1
- Druckmesswerk
(Messzelle)
- 2a
- erster
flüssigkeitsgefüllter Kanal
- 2b
- zweiter
flüssigkeitsgefüllter Kanal
- 3a
- erste
Membran
- 3b
- zweite
Membran
- 4
- drucksensitives
Element
- 5
- flüssigkeitsgefüllte Kammer
- 6
- Prüfelement
- 7
- mit
dem drucksensitiven Element 4 bei intakter Membran aufgenommene "Referenzkurve"
- 8
- mit
dem drucksensitiven Element 4 bei eventuell defekter Membran
aufgenommene "detektierte
Kurve"
- 9
- Energieeinspeiseeinrichtung
- 10
- Auswerteeinrichtung
- 11
- Diagnosesteuerung/-auswertung
- 12
- Anzeigevorrichtung
- A
- Spannungs-
und/oder Strom- und/oder Lastwerte
- p1
- erster
Druck
- p2
- zweiter
Druck
- t
- Zeit
- T1
- Zeitabstand
zwischen zwei Beaufschlagungen des Prüfelements 6
- T2
- Diagnose-Zeitintervall
der Beaufschlagung des Prüfelements 6