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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Messung
und Korrektur von Prozeßvariablen
gemäß Oberbegriff
der Patentansprüche
1 und 5.
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Beim
vorliegenden Verfahren werden Prozeßvariable, beispielsweise Druck, über Sensorelemente
gemessen und anschließend
in ein elektronisch verarbeitbares elektrisches Signal umgeformt. Neben
der eigentlichen Prozeßvariablen
wird zur Qualifizierung der Fehlerbehaftetheit der Aussteuerungskennlinie
der Elektronik ebenfalls die Temperatur der Elektronik gemessen.
Hierzu sind Temperatursensoren eingesetzt die zumeist in die Elektronik implementiert
werden. Nach Umformung der gemessenen physikalischen Größe in ein
elektrisches Signal erfolgt eine Digitalisierung und Übermittlung
der Werte an einen Computer. In diesem Computer erfolgt die Korrektur
der gemessenen Prozeßvariablen durch
Approximation der temperaturabhängigen Aussteuerungskennlinie
der Elektronik.
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Zur
Approximation der gemessenen temperaturabhängigen Aussteuerungskennlinie
der Elektronik werden zumeist mathematische Reihenentwicklungen
angewendet. Abhängig
von der gemessenen Temperatur wird dann der elektrisch umgeformte
Prozessvariablenwert korrigiert. Hierzu legt man zur Eichung des
Verfahrens zumeist einen Referenzzustand fest, bei dem der Aussteuerungswert welcher
proportional zur Prozessvariablen ist, kompensiert ist.
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Aus
der Werbeschrift der Firma Honeywell (34-st-05-01, 6/83 page 1 of
8) "st 3000 transmitter and
sfc smart field communicator" ist
eine nach dieser Maßgabe
arbeitende Einrichtung bekannt, bei der im Bereich der Elektronik
ein Temperaturfühler
vorgesehen ist.
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In
diesem, wie in werteren bekannten Verfahren und Einrichtungen ergibt
sich das Problem, dass Sensor, das heißt Prozessvariablensensor und
Umformungs- beziehungsweise Übertragungselektronik zwei
Baugruppen bilden, die jede für
sich gewisse Temperaturabhängigkeiten
produziert. Bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen wird nachteiligerweise
der Entstehungsort der Temperaturabhängigkeiten nicht differenziert
betrachtet, was unter Umständen
zu einer nut unvollständigen
Temperaturkompensation führt.
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Ein
Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 ist aus der
DE 28 52 570 A1 bekannt, wobei hier zusätzlich zur
Elektroniktemperatur die Temperatur des Sensorelementes gemessen
und eine Differenz der beiden Werte ermittelt, die zur Korrektur
der gemessenen Prozessvariablen verwendet wird.
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Ferner
ist es aus der
DE 34
24 288 C2 ein vergleichbares Verfahren bekannt, wobei hier
die Temperatur gemessen und zur Kompensation eines Temperaturfehlers
verwendet wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie
eine Einrichtung zur Messung und Korrektur von Prozessvariablen
der gattungsgemäßen Art
derart weiterzubilden, dass Temperatureffekte differenzierter bewertbar,
und entsprechend genauer kompensiert werden können.
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Die
gestellte Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens der gattungsgemäßen Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß zusätzlich zur
Elektroniktemperatur die Temperatur des Sensorelementes gemessen,
die Differenz aus beiden Temperaturen ermittelt und zur Korrektur
der gemessenen Prozeßvariable
berücksichtigt
wird. In Ausgestaltung der Erfindung wird die Differenz dTE,S aus der Temperatur der Elektronik und
der Temperatur des Sensorelementes in einer Funktion dTE,S =
a0 + b0 × ΔTE,S berücksichtigt, welche
zu der approximierten Funktion der temperaturabhängigen Aussteuerungskennlinie
addiert wird. Eine solche Vorgehensweise ist in den allermeisten Fällen schon
ausreichend und führt
zu dem Ziel, daß die
Temperaturkompensationsgüte
gegenüber
bekannten Maßnahmen
und Verfahren schon erheblich gesteigert wird. Für den Fall, daß Elektronik
und Sensor schon keinen stabilen Referenzzustand mehr definierbar
machen, ist es zweckmäßig in einer
zweiten alternativen Ausgestaltungsmöglichkeit die Berücksichtigung
der Temperaturdifferenz zwischen Elektroniktemperatur TE und Sensorelementtemperatur
TS multiplikativ in dem die Aussteuerungskennlinie approximierenden
Polynom TK berücksichtigen.
Das die Aussteuerungskennlinie approximierende Polynom TK (T) wird
dabei mit der Funktion dTE = a0 + b0ΔTE,S multipliziert, welche die Temperaturdifferenz zwischen
Elektronik und Sensorelementtemperatur TS berücksichtigt.
Die Korrektur erfolgt in diesem Fall durch eine multiplikative Berücksichtigung
der Temperaturdifferenz in allen zu berücksichtigenden Koeffizienten
der Potenzen des Polynomes. Bei der Approximation der Aussteuerungskennlinie
durch das benannte Polynom werden bekanntermaßen Koeffizienten gebildet,
die jeweils beispielsweise den quadratischen, den kubischen oder
Anteile höherer
Ordnung am Gesamtanteil der Funktion wichten. Durch die multiplikative
Berücksichtigung
wird dieser zusätzlich
gemessene Temperatureffekt ebenfalls gewichtet in allen zu berücksichtigenden
Koeffizienten. Dies führt
zu einer genauen und differenzierten Berücksichtigung auftretender Temperaturunterschiede zwischen
Sensorelement und Elektronik. Diese treten grundsätzlich dann
auf, wenn die Aussteuerung der Elektronik zunimmt, wodurch der Leistungsbedarf
steigt und somit Verlustwärme
erzeugt wird. Eine solche multiplikative Berücksichtigung der Temperaturdifferenz
ist jedoch nur dann gerechtfertigt, da sie aufwendiger ist, wenn
die Differenztemperatureffekte so groß sind, daß für eine gewünschte Kompensationsgüte diese
zwingend ist. Ansonsten ist eine Kompensation durch additive Berücksichtigung
der Differenztemperatur – wie
oben beschrieben – völlig ausreichend.
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Bei
einer thermisch räumlichen
Trennung von Sensorelement und Elektronik heizt sich die Elektronik
gegenüber
dem Sensor auf, und die Rückbezugnahme
auf den Referenzzustand, bei dem Sensor und Elektronik auf gleicher
Temperatur sind im Stand der Technik nicht möglich. Durch die Bewertung
der Temperaturdifferenz zwischen Elektronik und Sensorelement ist
dies aber bei der vorliegenden Erfindung wieder möglich. In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Funktion
dTE,S zusätzlich die zeitliche Entwicklung des
Temperaturgradienten zwischen Sensorelement und Elektronik berücksichtigt.
Dies verfeinert das Meßverfahren
in dem Falle, indem beispielsweise höhere Aussteuerungen mit höherer Leistung
nur kurzfristig erfolgen, so daß eine
Erwärmung
der Elektronik weitgehend unterhleibt, oder für den Fall, daß die Elektronik
und das Sensorelement thermisch gekoppelt sind, wodurch die Erwärmung der
Elektronik auch direkt oder indirekt zu einer Erwärmung des Sensorelementes
führt.
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Hinsichtlich
der Einrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß mindestens
ein weiterer Temperaturfühler
vorgesehen ist, welcher am Sensor angeordnet ist. In weiterer Ausgestaltung
ist der Sensor als Drucksensor ausgebildet. Besonders vorteilhaft
können
hierbei kapazitiv arbeitende Drucksensoren eingesetzt werden. Solche
kapazitiv arbeitende Drucksensoren bestehen in der Regel aus einem
keramischen Träger
in Plattenform, sowie mindestens einer zumeist ebenfalls keramischen
Membran, die zur Trägerplatte
beabstandet gehalten ist. Zwischen Membran und Trägerplatte wird
ein Meßraum
gebildet, und die sich zugewandten Innenoberflächen dieses Meßraumes
sind mit leitenden Schichten versehen, so daß ein Durchbiegung der Membran
den Abstand der leitenden Schichten zueinander ändert. Dies führt zu einer
Kapazitätsänderung
die hierbei gemessen werden kann. Besonders bei solchen Drucksensoren
ist eine Temperaturkompensation von großer Bedeutung.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Sensor und Elektronik
thermisch isoliert voneinander angeordnet sein. Alternativ dazu
können
Sensor und Elektronik jedoch auch thermisch gekoppelt sein. Hierzu
ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen Sensor und Elektronik innerhalb
des gemeinsamen Gehäuses
anzuordnen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die
Einrichtung aus mehreren Sensoren besteht, denen jeweils eine Umformer-
bzw. Übertragungselekronik
zugeordnet ist. Der Computer ist als Zentralcomputer vorgesehen,
welchem über
elektrische Mittel die Meßwerte jedes
Sensors übertragbar
sind. Die elektrischen Mittel können
dabei in weiterer Ausgestaltung im wesentlichen aus einem elektronischen
Datenbus bestehen, über
welchen sowohl die Meßwerte
der Prozeßvariablen
als auch die Temperaturmeßwerte
jedes Sensors dem Computer übertragbar
sind. Alternativ dazu ist vorgeschlagen, daß an den Sensoren elektrische
Mittel zur Funkübertragung
vorgesehen sind, über
welche jeweils sowohl Prozeßvariablenmeßwert als
auch der dem Prozeßvariablenwert
zugeordnete Temperaturwert übertragbar
sind.
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Insgesamt
ergibt sich bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren sowie
der Einrichtung zur Messung und Korrektur von Prozeßvariablen,
daß neben
der Berücksichtigung
der Temperatur der Elektronik auch die Temperatur des Sensorelementes
berücksichtigt
werden kann und aus der Differenz der beiden Temperaturen nun die
Kompensation vorgenommen wird. Dies führt zu einer differenzierteren
Bewertung der Temperaturabhängigkeit und
somit auch zu einer genaueren Kompensation. Zusätzlich ergibt sich da der Vorteil,
daß durch
diese kombinierte Berücksichtigung
beider Temperaturen die Güte
bzw. Qualität
der Elektronik geringer sein kann, ohne daß die Qualität der Meßwerte bzw.
der kompensierten Meßwerte
darunter leidet. Dies führt dazu,
daß die
Elektronik unter Verwendung preiswerterer Elemente deutlich verbilligt
wird.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im Nachfolgenden
näher beschrieben.
Es zeigt:
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1 schematische
Darstellung der Wirkung des Verfahrens
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2 Meßeinrichtung.
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1 zeigt
die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Aussteuerungskennlinie.
Dargestellt ist die Aussteuerungskennlinie bei einem Drucksensor.
Hierbei ist die Aussteuerung A über
der Temperatur T aufgetragen. Die Aussteuerung A stellt den in ein
elektrisches Signal umgeformten analogen druckproportionalen Wert dar.
In dieser Darstellung ist nicht die Abhängigkeit des Aussteuerungswertes
vom Druck dargestellt, sondern nur die Aussteuerungskennlinie, daß heißt die Abhängigkeit
des Aussteuerungswertes von der Temperatur. Das heißt mit anderen
Worten der Aussteuerungswert weist neben der gewollten Druckabhängigkeit
noch eine ungewollte Temperaturabhängigkeit auf.
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Bei
der Aufnahme der Aussteuerungskennlinie wird von einem Referenzzustand
ausgegangen, daß heißt man nimmt über den
gesamten Temperaturbereich an, daß Elektronik und Sensor immer
auf gleicher Temperatur sind. Unter dieser Annahme ergibt sich dann
die dargestellte Kurve.
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Bei
bekannten Verfahren setzt man dabei immer voraus, daß dies näherungsweise
gegeben ist, und daß zwischen
Sensorelement und Elektronik kein Temperaturunterschied ist. Tatsächlich zeigt
sich jedoch, daß bei
der Umformung des Sensorsignales zunächst in ein analoges elektrisches
Signal je nach Ausgangswert, daß heißt je nach
gemessenem Druckwert, der Leistungsbedarf und damit die Verlustwärme der
Elektronik steigt. Bei niedrigen Aussteuerungswerten, sprich bei
kleinen Druckwerten, ist die Wärmeerzeugung
vernachlässigbar.
Steigt der Druck jedoch stark an, so steigt auch die Aussteuerung
der Elektronik und es entsteht Verlustwärme. Sobald sich in der Praxis
ergibt, daß diese
Aussteuerungsanstiege nicht sprungartig und kurz, sondern von derartiger
Dauer sind, daß eine
entsprechende thermische Verlustleistung ansteht und die Elektronik aufheizt,
und somit eine Temperaturdifferenz zwischen Elektronik und Sensorelement
entsteht. Dies hat dann die Wirkung, daß man sich nicht mehr auf der
wie in 1 dargestellten Aussteuerungskennlinie befindet,
da diese ja über
den gesamten Temperaturbereich unter der Bedingung aufgenommen ist, daß zwischen
Sensorelement uund Elektronik zueinander keine Temperaturdifferenz
vorhanden ist. Eine Aufheizung der Elektronik gegenüber dem
Sensor führt
also zu einer Abweichung von dieser Aussteuerungskennlinie.
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Geht
man, wie bei üblichen
Verfahren bekannt, immer davon aus, daß keine Temperaturdifferenz
zwischen Elektronik und Sensor herrscht, so kann man die Messwerte
entsprechend der approximierten Aussteuerungskennlinie kompensieren.
Für den
oben benannten Fall, daß die
Temperaturen zwischen Elektronik und Sensorelement verschieden sind,
stimmt diese Aussteuerungskennlinie, und damit die Temperaturkompensation
nicht mehr. Beim erfindungsgemäßen Verfahren
hat sich gezeigt, daß sich
beim Auftreten von Differenztemperatur zwischen Elektronik und Sensorelement
die Aussteuerungskennlinie näherungsweise
parallel verschiebt. Näherungsweise
heißt
hierbei, daß es
wahrscheinlich neben der Parallelverschiebung auch noch eine Drehung
geben kann. Diese ist jedoch in den allermeisten Fällen unerheblich.
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Die
Aussteuerungskennlinie in ursprünglich bekannter
Weise, wie dies der durchgezogene Kurvenverlauf aus 1 zeigt
geht in die ansicht bekannte Temperaturkompensation ein, bei der
die Aussteuerungskennlinie durch eine approximierte Funktion genähert wird.
Diese Funktion bleibt auch weiterhin Bestandteil der Kompensation
insgesamt. Hinzu kommt jetzt jedoch in einer Ausgestaltungsversion
der Erfindung eine zusätzliche
additive Temperaturkompensation beim Auftreten von unterschiedlichen
Temperaturen zwischen Elektronik und Sensor der Gestalt: dTE,S = a0 +
b0 × ΔTE,S.
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Diese
Funktion wird in einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung auf die durch das Polynom AK (T) approximierter Aussteuerungskennlinie
aufaddiert. Die Summe aus beiden ist die resultierende Aussteuerungskennlinie,
die dann temperaturkompensiert wird.
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Diese
gesamtbetrachtete resultierende Aussteuerungskennlinie ist in 1 parallel
verschoben als gestrichelter Kurvenverlauf dargestellt.
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In
alternativer Ausgestaltung der Erfindung wird die zusätzlich berücksichtigte
genannte Funktion DTE,S = a0 +
b0 × ΔTE,S mit dem Polynom AK (T) multipliziert.
Dabei geht die Funktion dTE,S in jedes einzelne
Glied, entsprechend gewichtet nach der Größe der Koeffizienten, des Polynoms
ein. Eine solche Berücksichtigung
ist nur dann sinnvoll, wenn die Kompensation noch feinfühliger sein
muß.
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Zum
besseren Verständnis
sein hier noch mal darauf hingewiesen, daß die Darstellung gemäß 1 die
Aussteuerungskennlinie in Abhängigkeit von
der Temperatur zeigt. Im genannten Beispiel geht es jedoch nicht
um die Bestimmung der Temperatur als solches, sondern um die Messung
des Druckes. Das benannte Verfahren befaßt sich jedoch mit der Kompensation
der störenden
Temperaturabhängigkeit.
Natürlich
ist die Aussteuerung A im wesentlichen abhängig vom Druck, so daß sich A
als Funktion von Druck und Temperatur ergibt. Die Funktion A (P,T) wäre somit
eigentlich dreidimensional darzustellen. Die Darstellung in 1 zeigt
jedoch eine Projektion dieser Funktion in Abhängigkeit von der Temperatur, weil
genau diese Temperaturabhängigkeit
im nachgeordneten Computer kompensiert wird.
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2 zeigt
den Aufbau und die Zuordnung der einzelnen apparativen Komponenten
zueinander. Hierbei stellt 2 jedoch
kein elektrisches Schaltbild, sondern nur eine funktionsmäßige Zuordnung dar.
Innerhalb eines Gehäuses 10 ist
der Drucksensor 1 angeordnet, welcher mit Druckeingängen 1' und 1'' versehen ist. Dieser Sensor, bzw.
Drucksensor ist demnach als Differenzdrucksensor ausgebildet. Der
so abgenommene druckabhängige
kapazitive Wert wird einem Umformer 3 zugeführt, der
druckproportionale elektrische Ausgangswerte erzeugt. Der Ausgang-
bzw. Aussteuerungswert wird dann einem AD-Wandler 5 zugeführt, der
die Meßwerte
digitalisiert, und anschließend über eine Übertragungstrecke 6 dem
Rechner 7 zuführt.
Die Übertragungsstrecke 6 kann
entweder als Busleitung oder als Funkstrecke ausgebildet sein. Auf
dem Umformer, daß heißt auf der
Umformerelektronik 3 ist ein Temperaturfühler 4 vorgesehen.
Umformer 3 und AD-Wandler 5 können jedoch auch gemeinsam
auf einer Elektronikplatine dargestellt sein, auf dem der Temperaturfühler 4 angeordnet
ist. Ein weiterer Temperaturfühler 2 ist
auf dem Prozeßvariablensensor,
in diesem Falle dem Drucksensor angeordnet. Der Ausgangswert dieses
Temperaturfühlers
wird dann ebenfalls über
den AD-Wandler 5 digitalisiert und über die Übertragungsstrecke 6 dem
Rechner 7 zugeführt.
Innerhalb des Rechners wird die Differenz aus den Temperaturen der
Temperaturfühler 2 und 4 ermittelt. Die
Temperaturdifferenz wird dabei in der oben dargestellten Verfahrensweise
in der Approximation der temperaturabhängigen Aussteuerungskennlinie
mitberücksichtigt
und die Temperaturkompensation mit einbezogen. Die Differenzbildung
kann jedoch auch schon im Bereich des AD-Wandlers, daß heißt in dem Elektronikbereich
vorgenommen werden, der der Übertragungsstrecke 6 vorgeschaltet
ist. Somit könnte
die Temperaturdifferenz sogleich übertragen werden, so daß die Differenzbildung
im Rechner nicht mehr erfolgen muß. Drucksensor 1 sowie
Umformer 3 und AD-Wandler 5 sind zwar zu allermeist
innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 10 angeordnet,
jedoch ergibt sich durch die apparative Trennung zwischen Drucksensor
und Elektronik ein Temperaturgradient. Dieser in der Praxis oft
auftretende Temperaturgradient zwischen Sensor und Elektronik wird mit
der vorliegenden Erfindung in der Temperaturkompensation der Aussteuerung
mitberücksichtigt.