EP1899718A1 - Messvorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse und verfahren zur überwachung der messvorrichtung - Google Patents

Messvorrichtung zur bestimmung und/oder überwachung einer prozessgrösse und verfahren zur überwachung der messvorrichtung

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Publication number
EP1899718A1
EP1899718A1 EP06777565A EP06777565A EP1899718A1 EP 1899718 A1 EP1899718 A1 EP 1899718A1 EP 06777565 A EP06777565 A EP 06777565A EP 06777565 A EP06777565 A EP 06777565A EP 1899718 A1 EP1899718 A1 EP 1899718A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impedance
measuring device
monitoring
sensor unit
unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06777565A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Seefeld
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Wetzer GmbH and Co KG
Publication of EP1899718A1 publication Critical patent/EP1899718A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters
    • G—PHYSICS
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F25/00—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume
    • G01F25/20—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of apparatus for measuring liquid level
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/282—Testing of electronic circuits specially adapted for particular applications not provided for elsewhere
    • G01R31/2829—Testing of circuits in sensor or actuator systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Definitions

  • Measuring device for determining and / or monitoring a process variable and method for monitoring the
  • the invention relates to a device for determining and / or
  • the invention relates to a method for monitoring a measuring device, wherein the measuring device has at least one sensor unit and at least one electrical connection. Moreover, the invention relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • the process variable is, for example, the temperature, the level, the density, the viscosity, the conductivity or the pH of the medium, which is a liquid or a bulk material.
  • gauges are used to determine or monitor process variables (e.g., level, flow, temperature, pH). Due to the prevailing conditions in the process, such as high temperatures, mechanical stress or aggressive or corrosive media, the measuring instruments are exposed to a heavy load, which can even lead to total failure. To ensure reliability, it is important that any damage occurring to the measuring devices are detected and reported before the total failure, so that any incorrect measurements that may occur can not occur.
  • process variables e.g., level, flow, temperature, pH.
  • the object of the invention is to provide a method for monitoring
  • the object is achieved by the invention by a measuring device, by a method for monitoring a measuring device and by a device for carrying out the method.
  • the invention thus achieves the object by means of a measuring device according to the invention and by a method and a device for carrying out the method, which are applicable to any measuring device.
  • the invention solves the problem with a measuring device for determining and / or monitoring at least one process variable, with at least one sensor unit, and with at least one electrical connection.
  • the measuring device according to the invention is designed such that at least one impedance measuring unit is provided, which with an electrical test signal dependent on the frequency and / or the amplitude of the test signal impedance spectrum of the electrical Connection and / or the sensor unit receives.
  • the electrical connection is, for example, an electrical cable.
  • the measuring device according to the invention thus detects emerging malfunctions of the operating state of electrical lines in sensors and their wiring.
  • One advantage is that the monitoring of the measuring device according to the invention takes place in the installed state.
  • the sensor unit may, for example, be a compact unit such as a temperature-dependent resistance element, however, the sensor unit may also be a complex unit having cabling in turn.
  • the electrical connections thus include, for example, cabling and soldering within a compact measuring device or between units located remotely and connected to an evaluation transmitter.
  • Such a measuring device is checked by the invention in terms of their functionality and malfunctions can be detected in a preventive monitoring by comparative evaluation methods.
  • the inventive method implemented here in the measuring device itself makes it possible to track changes in the direction of individual signal lines before error conditions have developed in a region relevant to the measurement.
  • Sensors that have, for example, electrical resistance changes as parameters, or sensors that have, for example, via DC or AC sources as parameters are usually connected by means of shielded or unshielded measuring cable consisting of two or more signal lines.
  • Methods and methods that use ohmic resistance measurements for monitoring the operation of sensors and their supply lines are known.
  • limit operating ranges are defined, i. Ohmic resistance workspaces within which the acquired readings are considered admissible. If the measured values are outside these ranges, this can be interpreted as an indication of an impending malfunction.
  • impedance measuring methods are used to detect the reactance, ie the imaginary AC resistance.
  • Test voltages of alternating frequency of approx. 0.1 to approx. 300 kHz and alternating amplitude of approx. 10 ... 100 mV are alternately applied to the available connection terminals of the sensor test leads. If a measuring cable shielding is not available, a device ground or a protective conductor connection can also be used.
  • the measurement signal sequences can be connected by means of relays or with another high-impedance switching element in the case of a switched-on or preferably not switched-on Sensor are presented in such a way that the signal lines are measured in pairs against the Meßchtabtubungs effet.
  • the reactance and ohmic resistance values are measured, stored and analyzed in a rating procedure.
  • the measuring voltages in the frequency range from 0.1 to approx. 300 kHz are recorded with an impedance measuring device, which works according to a bridge method with automatic adjustment and which is designed for high-impedance internal resistances (over approx. 10 giga-ohms to 300 giga-ohms).
  • the alternating pairwise BeSlten individual sensor lines against the shielding line according to the invention, or alternatively of sensor leads to each other, or alternatively a sensor line against device ground or against protective conductor results in a signal sequence, which is used for a rating characterization of the operating state of the relevant supply line.
  • Sensor signal lines are surrounded for isolation purposes with various dielectrics, which consist of polymeric insulating materials, ceramic materials or glassy materials. In the proper operating condition, such materials have dielectric properties as insulators with high insulation resistance.
  • the solution according to the invention consists in detecting in good time the occurrence of fault conditions which can lead to short-circuits or shunts or cause resistance increases within individual signal lines via corrosion effects. Therefore, before a short circuit or a shunt forms, capacitances that occur on surface and wetting metallic wires and their insulation can develop capacitances that can be detected as reactance changes.
  • the change in the impedance behavior is due to the fact that, for example, boundary layers of the cable insulation change their dielectric properties. These boundary layers undergo changes due to the penetration or diffusion of third substances from the surrounding area. These substances include water, ionic electrolyte solutions, protic solvents, low melting salts of appreciable electrolytic conductivity, or mixtures of such components.
  • an impedance measuring profile is created with a serving as a shielding outer electrode against the inner conductor of a wiring. If, in other embodiments, sensor feed lines are not equipped with an outer shield, an impedance measurement can be made against a second sensor line, against the ground line, for example, against the device ground or against an existing protective conductor connection. If a sensor line is connected against the ground or protective conductor in order to serve as a second measuring electrode instead of a missing cable shield, emergent disturbing capacitances can be recognized as such by evaluating according to the invention their temporal change in a particular comparison method.
  • the impedance spectrum recorded with the first sensor connection as electrode against the protective conductor connection in the frequency range from 0.1 to approximately 300 kHz is subjected to a comparative evaluation with the impedance spectra obtained with the other sensor connections against the protective conductor connection. This evaluation method is repeated at a certain time interval in order to determine maximum allowable variances in this way.
  • the applicability of the impedance measurement principle according to the invention for compact sensor transducers Transmitter- arrangements is given.
  • preventative failure detection within wireless "self-contained” measurement systems is key to maintaining the entire communications chain. and environmental influences from the process environment, which act on the sensor / transmitter device, can easily exceed the maximum permissible influencing variables that apply to the electronic components used.
  • ⁇ br/> ⁇ br/> With the impedance measuring principle proposed according to the invention, preventive monitoring with minimum electrical power requirement can be realized.
  • the low electrical power requirement of the impedance monitoring principle proposed according to the invention also opens up application possibilities in Ex-protection-relevant areas.
  • the invention thus consists in measuring the electrical resistance in the form of an impedance spectrum of the sensor unit and / or the electrical connections within the measuring device and evaluate accordingly.
  • a storage of the values can also be provided.
  • the evaluation can be carried out directly within the measuring device or, for example, within a unit connected to the measuring device. It can also recorded the measured electrical resistance and then subsequently as an audit log later be evaluated.
  • the impedance measuring unit is, for example, an electrical or electronic unit which acts on the electrical connections and / or the sensor with a test signal and determines the electrical resistance from the measured value.
  • An embodiment of the measuring device provides that at least one impedance monitoring unit is provided which compares the recorded impedance spectrum with at least one stored impedance spectrum and / or at least one value of the impedance spectrum with a stored impedance value and which processes a deviation.
  • the impedance monitoring unit thus evaluates the spectrum or at least a single value of the measured spectrum and thus also monitors the measuring device.
  • the impedance monitoring unit controls the impedance measuring unit.
  • Test signal measured, which is, for example, an electrical alternating voltage.
  • the following embodiment of the measuring device according to the invention is connected, which provides that the frequency and / or the amplitude of the test signal is adjustable / is.
  • This is a basis for the configuration that the impedance measuring unit is designed such that it measures an impedance spectrum of the electrical connection and / or the sensor unit that depends on the frequency and / or the amplitude of the test signal.
  • the impedance measuring unit is designed such that it measures an impedance spectrum of the electrical connection and / or the sensor unit that depends on the frequency and / or the amplitude of the test signal.
  • An embodiment provides that at least two electrical connections are provided, and that the impedance measuring unit is configured such that it is reversibly connectable to the lines and the sensor unit.
  • This refinement thus allows the impedance measuring unit to examine the sensor and measuring device supply lines, for example, by sectioning on both sides and closing on both sides. That It is possible to examine the individual connections or even just the sensor unit.
  • An embodiment includes that the process variable is the temperature and the sensor unit is a temperature-dependent resistance element.
  • the measurement of the impedance of the sensor unit can be made very simple.
  • the electrical connection is, for example, an electrical line via which the resistance element is connected to a corresponding head transmitter. This head transmitter then controls the Temperature measurements and, for example, also evaluates the measured resistance value into the temperature to be determined.
  • the invention solves the problem with a method for monitoring a measuring device, wherein the measuring device has at least one sensor unit and at least one electrical connection.
  • the method provides that at least one test signal is used to record an impedance spectrum of the electrical connection and / or of the sensor unit that depends on the frequency and / or the amplitude of the test signal. Since the electrical connection and also the sensor unit can change as a result of the media to be measured or generally due to aging, the electrical resistance or the impedance or the reactance of these connections or the sensor unit is measured and monitored by the method according to the invention. If changes, aging or dissolution phenomena occur, then according to the invention this is detected by the monitoring of the impedance.
  • An embodiment of the method according to the invention provides that the recorded impedance spectrum is compared with at least one stored impedance spectrum and / or at least one value of the impedance spectrum with a stored impedance value. For example, setpoints and, for example, tolerance ranges for the electrical lines / connections and / or the sensor unit are stored during production. The recognition of an error or an approaching error can then be realized from the comparison of the measured and the stored values.
  • test signal is an electrical alternating voltage with adjustable frequency and / or adjustable amplitude.
  • test signals can be realized.
  • the invention solves the problem with a device for carrying out the method in at least one of the embodiments discussed above.
  • the device is designed such that at least one impedance measuring unit is provided, that the impedance measuring unit is designed such that it can be connected to the measuring device, and that it measures the electrical resistance of at least the electrical connection and / or the sensor unit.
  • this is thus a device which is connected to a measuring device in order to monitor it in accordance with the method according to the invention.
  • the device is reversibly connectable to the connections or the sensor unit in such a way that different connections or combinations of connections / supply lines or also with the sensor unit can be measured.
  • the measuring device can thus be examined in sections.
  • Fig. 1 a schematic representation of a measuring device according to the invention.
  • Fig. 2 a schematic representation of the impedance measuring unit.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a measuring device according to the invention 1.
  • the sensor unit 2 is a resistance element whose resistance value depends on the temperature.
  • the conductors are located here in a so-called protective tube.
  • the electrical resistance or especially the impedance of the electrical connections 3 and / or the sensor unit 2 is measured.
  • the impedance of the sensor unit 2 can be measured very well in the case shown, since it is a resistance element.
  • the impedance measuring unit 4 is connected to the electrical connections 3 and thus also to the sensor unit 2.
  • the corresponding impedance values can be determined by means of the beauhlagung of the individual connections between the electrical lines 3 and the sensor unit 2 and the impedance measuring unit 4 with a suitable test signal. If at least the frequency of the test signal-this is preferably an alternating voltage-varies, an impedance spectrum is recorded in each case. From the comparison with stored values or from a different evaluation of the measured impedances, the impedance monitoring unit 5 can then make statements about the nature of the electrical connections 3 or about the sensor unit 2 or imminent false states. Thus, an evaluation of the impedance spectrum with respect to the state or to a prediction of the future behavior in the sense of predictive maintenance takes place.
  • an embodiment of an impedance measuring unit 4 is shown schematically.
  • an impedance spectrum of the n (here n> 5) inner conductor of an electrical connection 3 is measured here.
  • an outer electrode S serving as a shielding line
  • an impedance measurement profile is created against the first through the n-th inner conductors.
  • a sensor cable is switched against device ground or against protective conductor, emerging disturbing capacitances can be identified as such by evaluating their temporal change in a special comparison method.
  • the impedance spectrum which was recorded with the first sensor connection as an electrode against the protective conductor connection S in the frequency range of 0.1 to 300 kHz for example, with the impedance spectra with the second to nth sensor connection against the protective conductor connection S are subjected to a comparative evaluation. This evaluation method is repeated at a certain time interval in order to determine maximum permissible variances in this way.
  • the impedance spectrum described above includes, for example, frequencies in a range of 0.1Hz to 30OkHz and / or detected amplitudes of 10 micro-volts to 800 mV.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einer Sensoreinheit, und mit mindestens einer elektrischen Verbindung. Die Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Impedanzmesseinheit (4) vorgesehen ist, welche mit einem elektrischen Prüfsignal ein von der Frequenz und/oder der Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung (3) und/oder der Sensoreinheit (2) aufnimmt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Messvorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße und Verfahren zur Überwachung der
Messvorrichtung
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder
Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einer Sensoreinheit, und mit mindestens einer elektrischen Verbindung. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Sensoreinheit und mindestens eine elektrische Verbindung aufweist. Überdies bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um die Temperatur, den Füllstand, die Dichte, die Viskosität, die Leitfähigkeit oder den pH- Wert des Mediums, bei welchem es sich um eine Flüssigkeit oder um ein Schüttgut handelt.
[0002] In der Prozess- und Automatisierungstechnik werden Messgeräte um Prozessgrößen (z.B. Füllstand, Durchfluss, Temperatur, pH- Wert) zu bestimmen oder zu überwachen angewendet. Aufgrund der meist beim Prozess herrschenden Bedingungen, wie hohe Temperaturen, mechanische Belastung oder aggressive oder ätzende Medien, sind die Messgeräte einer starken Belastung ausgesetzt, welche sogar zum Totalausfall führen kann. Um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist es wichtig, dass ggf. bei den Messgeräten auftretende Beschädigungen bereits vor dem Totalausfall erkannt und gemeldet werden, so dass ggf. auftretende Fehlmessungen nicht auftreten können.
[0003] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Methode zur Überwachung der
Funktionalität eines Messgerätes vorzuschlagen, über welche eine Beeinträchtigung des Messgerätes erkannt wird.
[0004] Die Aufgabe löst die Erfindung durch eine Messvorrichtung, durch ein Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung und durch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Die Erfindung löst somit die Aufgabe durch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung und durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, welche bei einer beliebigen Messvorrichtung anwendbar sind.
[0005] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Messvorrichtung zur Bestimmung und/ oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens einer Sensoreinheit, und mit mindestens einer elektrischen Verbindung. Die Messvorrichtung ist erfindungsgemäß derartig ausgestaltet, dass mindestens eine Impedanzmesseinheit vorgesehen ist, welche mit einem elektrischen Prüfsignal ein von der Frequenz und/ oder der Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung und/oder der Sensoreinheit aufnimmt. Bei der elektrischen Verbindung handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Kabel. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung stellt somit aufkommende Fehlfunktionen des Betriebszustandes von elektrischen Leitungen in Sensoren und deren Verkabelung fest. Ein Vorteil liegt darin, dass die Überwachung des erfindungsgemäßen Messgeräts im eingebauten Zustand stattfindet. Bei der Sensoreinheit kann es sich beispielsweise um eine kompakte Einheit wie beispielsweise ein temperaturabhängiges Widerstandselement handeln, die Sensoreinheit kann jedoch auch eine wiederum Verkabelungen aufweisende komplexe Einheit sein. Unter den elektrischen Verbindungen sind somit beispielsweise Verkabelungen und Lötungen innerhalb einer kompakten Messvorrichtung oder zwischen entfernt voneinander befindlichen und mit einem Auswertetransmitter verbundene Einheiten zu verstehen. Eine solche Messvorrichtung wird durch die Erfindung hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit überprüft und Fehlfunktionen lassen sich in einem vorbeugenden Monitoring durch vergleichende Bewertungsverfahren erfassen. Das hier in der Messvorrichtung selbst umgesetzte erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, sich anbahnende Änderungen einzelner Signalleitungen zu verfolgen, bevor sich Fehlerzustände in einem für die Messung relevanten Bereich ausgeprägt haben.
[0006] Sensoren, die beispielsweise elektrische Widerstandsänderungen als Kenngrößen aufweisen, oder Sensoren, die beispielsweise über Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquellen als Kenngrößen verfügen, werden üblicherweise mittels geschirmter oder ungeschirmter Messkabel bestehend aus zwei oder mehr Signalleitungen angeschlossen. Methoden und Verfahren, die Ohm'sche Widerstandsmessungen für die Betriebsüberwachung von Sensoren und deren Zuleitungen nutzen, sind bekannt. Dabei werden für die Sensoren, die über Widerstandsänderungen, Gleichspannungs- oder Wechselspannungsquellen als Kenngrößen verfügen, und deren Zuleitung Grenzbetrie- bsbereiche festgelegt, d.h. Ohm'sche Widerstandsarbeitsbereiche, innerhalb derer die erfassten Messwerte als zulässig gelten. Befinden sich die gemessenen Werte außerhalb dieser Bereiche, so lässt sich dies als Anzeichen für eine sich anbahnende Fehlfunktion interpretieren.
[0007] Insbesondere werden in der erfindungsgemäßen Messvorrichtung Impedanz- Meßmethoden angewendet, um die Reaktanz, d.h. den imaginären Wechselstromwiderstand zu erfassen. Prüf Spannungen wechselnder Frequenz von ca. 0,1 bis ca. 300 kHz und wechselnder Amplitude von ca. 10 ... 100 mV werden wechselseitig, alternierend an die zur Verfügung stehenden Anschlussklemmen der Sensor- Messleitungen gelegt. Ist eine Messkabelabschirmung nicht vorhanden, so kann auch eine Gerätemasse oder ein Schutzleiteranschluss herangezogen werden. Die Messsignalfolgen können mittels Relais bzw. mit einem anderen hochimpedanten Schaltelement bei aufgeschaltetem oder bevorzugt bei nicht aufgeschaltetem Messwertaufnehmer in der Weise vorgelegt werden, dass die Signalleitungen gegen die Messkabelabschirmungsleitung paarweise abwechselnd gemessen werden. Für charakteristische Wechselspannungs- / Frequenzbereiche werden die Reaktanz und die ohmschen Widerstandswerte gemessen, gespeichert und in einem Bewertungsverfahren analysiert. Die Messspannungen im Frequenzbereich von 0,1 bis ca. 300 kHz werden mit einer Impedanzmesseinrichtung aufgenommen, die nach einer Brückenmethode mit automatischem Abgleich arbeitet und die für hochohmige Messinnenwiderstände (über ca. 10 Giga-Ohm bis 300 Giga-Ohm) ausgelegt ist. Das erfindungsgemäße abwechselnde paarweise Beschälten einzelner Sensorleitungen gegen die Abschirmungsleitung, oder ersatzweise von Sensorzuleitungen untereinander, oder ersatzweise einer Sensorleitung gegen Geräte-Masse bzw. gegen Schutzleiter, resultiert in einer Signalfolge, die für eine bewertende Charakterisierung des Betriebszustandes der betreffenden Zuleitung verwendet wird.
[0008] Sensorsignalleitungen sind zu Isolationszwecken mit verschiedenartigen Dielektrika umgeben, die aus polymeren Isolationswerkstoffen, aus keramischen Werkstoffen oder aus glasartigen Materialien bestehen. Im ordnungsgemäßen Betriebszustand besitzen derartige Werkstoffe als Isolatoren dielektrische Eigenschaften mit hohem Isolationswiderstand. Der erfindungsgemäße Lösungsweg besteht nun darin, rechtzeitig das Aufkommen von Fehlerzuständen zu erfassen, die zu Kurzschlüssen oder zu Nebenschlüssen führen können oder über Korrosionseffekte Widerstandserhöhungen innerhalb einzelner Signalleitungen bewirken. Bevor sich demnach ein Kurzschluss oder ein Nebenschluss ausbildet, vermögen sich durch auftretende Oberflächen- und Benetzungseffekte an metallischen Leitungsdrähten und an deren Isolation, Kapazitäten herauszubilden, die als Reaktanzänderungen erfasst werden können. Die Änderung des Impedanzverhaltens ist darauf zurückzuführen, dass beispielsweise Grenzschichten der Kabelisolation ihre dielektrische Eigenschaften verändern. Diese Grenzschichten erfahren durch das Eindringen bzw. Eindiffundieren von Drittsubstanzen aus dem Umgebungsbereich Veränderungen. Zu diesen Substanzen gehören Wasser, ionenhaltige Elektrolytlösungen, protische Lösungsmittel, niedrig schmelzenden Salze mit merklicher elektrolytischer Leitfähigkeit oder Mischungen aus derartigen Komponenten.
[0009] Weitere vorbeugend zu erkennende Einflussmechanismen sind beispielsweise mechanische Einwirkungen und Hitzeeinwirkungen auf Sensorleitungen bzw. auf die dielektrische Schichten. Hierbei können Veränderungen der Isolation sowie Änderungen der Leitereigenschaften frühzeitig erkannt werden. Einmalige Ereignisse sowie allmählich unter Dauerbelastung auftretende Einwirkungen, wie Verreibungen infolge Vibrationen von Kunststoffteilen, Keramikwerkstoffe oder anderer Isolatoren sind ebenso nachzuweisen. Schmelzvorgänge an thermoplastischen oder polymeren Kabeli- solationen sind in gleicher Weise nachweisbar.
[0010] Im einfachsten Ausführungsfall wird mit einer als Abschirmleitung dienenden äußeren Elektrode gegen die Innenleiter einer Verkabelung ein Impedanzmessprofil erstellt. Sollten in anderen Ausführungsfällen Sensorzuleitungen nicht mit einem äußeren Schirm ausgestattet sein, so kann ersatzweise eine Impedanzmessung gegen eine zweite Sensorleitung, gegen die Masseleitung, beispielsweise gegen die Gerätemasse oder gegen einen existierenden Schutzleiteranschluss vorgenommen werden. Wird eine Sensorleitung gegen Gerätemasse oder gegen Schutzleiter geschaltet, um anstelle einer fehlenden Kabelabschirmung als zweite Messelektrode zu dienen, sind aufkommende störende Kapazitäten als solche zu erkennen, indem erfindungsgemäß deren zeitliche Änderung in einem besonderen Vergleichsverfahren bewertet wird. Dabei wird beispielsweise das Impedanzspektrum, das mit dem ersten Sensoranschluss als Elektrode gegen den Schutzleiteranschluss im Frequenzbereich von 0,1 bis ca. 300 kHz aufgezeichnet wurde, mit den Impedanzspektren, die mit den anderen Sensoranschlüssen gegen den Schutzleiteranschluss erhalten werden, einer vergleichenden Bewertung unterzogen. Dieses Bewertungsverfahren wird in einem bestimmten Zeitintervallen wiederholt, um auf diese Weise maximal zulässige Varianzen zu ermitteln.
[0011] Vorteilhaft ist die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Impedanzmessprinzips für kompakte Sensor-Messwertaufnehmer-Transmitter- Anordnungen (z.B. Funkmodulen) gegeben. Für den Einsatz in Messkettenanordnungen mit denen „Punkt zu Punkt"- Verbindungen aus zahlreichen „wireless" - Transmitter vorzuhalten sind, ist eine vorbeugende Ausfallerkennung innerhalb der kabellosen „autarken Meßsystemen" von entscheidenden Nutzen, um die gesamte Kommunikationskette aufrecht halten zu können. Umwelt- und Umgebungseinflüsse aus der Prozessumgebung, die auf die Sensor/Transmitter-Einrichtung einwirken, können leicht die maximal zulässigen Einflussgrößen, die für die eingesetzten elektronische Bauelemente gelten, übersteigen. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Impedanz-Meßprinzip sind vorbeugende Überwachungen unter geringstem elektrischen Leistungsbedarf zu realisieren. Der geringe elektrische Leistungsbedarf des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Impedanzüberwachungsprinzips erschließt darüber hinaus Einsatzmöglichkeiten in Ex-Schutz relevanten Bereichen.
[0012] Die Erfindung besteht somit darin, den elektrischen Widerstand in Form eines Impedanzspektrums der Sensoreinheit und/oder der elektrischen Verbindungen innerhalb der Messvorrichtung zu messen und entsprechend auszuwerten. Eine Abspeicherung der Werte kann ebenfalls vorgesehen sein. Die Auswertung kann direkt innerhalb der Messvorrichtung erfolgen oder z.B. innerhalb einer mit der Messvorrichtung verbundenen Einheit. Es kann auch der gemessene elektrische Widerstand aufgezeichnet und anschließend quasi als Überwachungsprotokoll nachträglich ausgewertet werden. Bei der Impedanzmesseinheit handelt es sich beispielsweise um eine elektrisch oder elektronische Einheit, welche mit einem Prüfsignal die elektrischen Verbindungen und/oder den Sensor beaufschlagt und aus dem gemessene Wert den elektrischen Widerstand bestimmt.
[0013] Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung sieht vor, dass mindestens eine Impedanzüberwachungseinheit vorgesehen ist, welche das aufgenommene Impedanzspektrum mit mindestens einem hinterlegten Impedanzspektrum und/oder mindestens einen Wert des Impedanzspektrums mit einem hinterlegten Impedanzwert vergleicht und welche eine Abweichung verarbeitet. Die Impedanzüberwachungseinheit wertet somit das Spektrum bzw. zumindest einen einzelnen Wert des gemessenen Spektrums aus und überwacht damit auch die Messvorrichtung. In einer weiteren Ausgestaltung steuert die Impedanzüberwachungseinheit die Impedanzmesseinheit.
[0014] Die Impedanz oder das Impedanzspektrum wird dabei durch ein elektrisches
Prüfsignal gemessen, bei welchem es sich beispielsweise um eine elektrische Wechselspannung handelt.
[0015] Damit ist die folgende Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung verbunden, welche vorsieht, dass die Frequenz und/oder die Amplitude des Prüfsignals einstellbar sind/ist. Dies ist eine Grundlage für die Ausgestaltung, dass die Impedanzmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie ein von der Frequenz und/oder der Amplitude des Prüfsignal abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung und/oder der Sensoreinheit misst. Es wird somit nicht nur ein einziger Impedanzwert bestimmt, sondern es wird ein gesamtes Spektrum aufgenommen, so dass sich mehr Informationen über die Messvorrichtung bzw. über deren Bestandteile herausfinden lassen.
[0016] Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens zwei elektrische Verbindungen vorgesehen sind, und dass die Impedanzmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie reversibel mit den Leitungen und der Sensoreinheit verbindbar ist. Diese Ausgestaltung erlaubt somit, dass die Impedanzmesseinheit beispielsweise durch abschnittsweises und beidseitiges Auftrennen und Aufschalten die Sensor- und Messgeräte-Zuleitungen untersuchen kann. D.h. es ist möglich, die einzelnen Verbindungen bzw. auch nur die Sensoreinheit zu untersuchen.
[0017] Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei der Prozessgröße um die Temperatur und bei der Sensoreinheit um ein temperaturabhängiges Widerstandselement handelt. In diesem Fall lässt sich die Messung der Impedanz der Sensoreinheit sehr einfach ausgestalten. Bei der elektrischen Verbindung handelt es sich dabei beispielsweise um eine elektrische Leitung, über welche das Widerstandselement mit einem entsprechenden Kopftransmitter verbunden ist. Dieser Kopftransmitter steuert dann die Temperaturmessungen und wertet beispielsweise auch den gemessenen Widerstandwert in die zu bestimmende Temperatur um.
[0018] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Sensoreinheit und mindestens eine elektrische Verbindung aufweist. Das Verfahren sieht dabei vor, dass mittels mindestens eines Prüfsignals ein von der Frequenz und/oder der Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung und/oder der Sensoreinheit aufgenommen wird. Da sich durch die zu messenden Medien oder allgemein durch die Alterung die elektrischen Verbindung und auch die Sensoreinheit ändern können, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der elektrische Widerstand bzw. die Impedanz bzw. die Reaktanz dieser Verbindungen bzw. der Sensoreinheit gemessen und überwacht. Treten Änderungen, Alterungs- oder Auflösungserscheinungen auf, so wird dies erfindungsgemäß durch die Überwachung der Impedanz erkannt.
[0019] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das aufgenommene Impedanzspektrum mit mindestens einem hinterlegten Impedanzspektrum und/oder mindestens ein Wert des Impedanzspektrums mit einem hinterlegten Impedanzwert verglichen wird. Es werden beispielsweise bei der Fertigung Sollwerte und beispielsweise auch Toleranzbereiche für die elektrischen Leitungen/Verbindungen und/oder die Sensoreinheit hinterlegt. Das Erkennen eines Fehlers bzw. eines nahenden Fehlers lässt sich dann aus dem Vergleich der gemessenen mit den hinterlegten Werten realisieren.
[0020] Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass es sich bei dem Prüfsignal um eine elektrische Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz und/ oder einstellbarer Amplitude handelt. Somit lassen sich unterschiedliche Prüfsignale realisieren.
[0021] Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens in mindestens einer der oben diskutierten Ausgestaltungen. Die Vorrichtung ist derartig ausgestaltet, dass mindestens eine Impedanzmesseinheit vorgesehen ist, dass die Impedanzmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie an die Messvorrichtung anschließbar ist, und dass sie den elektrischen Widerstand mindestens der elektrischen Verbindung und/oder der Sensoreinheit misst. Im Gegensatz zur obigen erfindungsgemäßen Messvorrichtung handelt es sich hierbei somit um eine Vorrichtung, welche an ein Messgerät angeschlossen wird, um dieses gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu überwachen. In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung reversibel an die Verbindungen bzw. die Sensoreinheit derartig anschließbar, dass unterschiedliche Verbindungen bzw. Kombinationen von Verbindungen/Zuleitungen bzw. auch mit der Sensoreinheit ausgemessen werden können. Die Messvorrichtung lässt sich somit abschnittweise untersuchen.
[0022] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
[0023] Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, und
[0024] Fig. 2: eine schematische Darstellung der Impedanzmesseinheit.
[0025] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. Hierbei handelt es sich als Beispiel um ein Messgerät für Temperaturen. Bei der Sensoreinheit 2 handelt es sich um ein Widerstandselement, dessen Widerstandswert von der Temperatur abhängig ist. Um den Widerstand der Sensoreinheit 2 zu messen, ist dieser über zwei elektrische Verbindungen 3, bei denen es sich beispielsweise um elektrische Leitungen handelt, mit einem Transmitter 6 verbunden. Die Leiter befinden sich hier in einem sog. Schutzrohr. Durch Einwirkungen des Mediums oder durch die herrschenden Prozessbedingungen oder allgemein durch die Alterung ist es möglich, dass sich die elektrischen Verbindungen 3 verändern. Um Änderungen zu detektieren, wird erfindungsgemäß der elektrische Widerstand bzw. speziell die Impedanz der elektrischen Verbindungen 3 und/oder der Sensoreinheit 2 gemessen. Die Impedanz der Sensoreinheit 2 lässt sich im dargestellten Fall sehr gut messen, da es sich um ein Widerstandselement handelt. Für die Messung der Impedanz ist die Impedanzmesseinheit 4 mit den elektrischen Verbindungen 3 und somit auch mit der Sensoreinheit 2 verbunden. Über die Beauschlagung der einzelnen Verbindungen zwischen den elektrischen Leitungen 3 bzw. der Sensoreinheit 2 und der Impedanzmesseinheit 4 mit einem passenden Prüfsignal lassen sich die entsprechenden Impedanzwerte bestimmen. Wird zumindest die Frequenz des Prüfsignals - hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Wechselspannung - variiert, so wird jeweils ein Impedanzspektrum aufgenommen. Aus dem Vergleich mit hinterlegten Werten oder aus einer anderen Auswertung der gemessenen Impedanzen kann dann die Impedanzüberwachungseinheit 5 Aussagen über die Beschaffenheit der elektrischen Verbindungen 3 bzw. über die Sensoreinheit 2 tätigen bzw. drohende Fehlzustände aufzeigen. Es findet also eine Bewertung des Impedanzspektrums in Hinsicht auf den Zustand bzw. auf eine Voraussage auf das zukünftige Verhalten im Sinne des predictive maintenance statt.
[0026] In der Fig. 2 ist schematisch eine Ausgestaltung einer Impedanzmesseinheit 4 dargestellt. Insbesondere wird hier ein Impedanzspektrum der n (hier n>5) Innenleiter einer elektrischen Verbindung 3 gemessen. In diesem Fall wird mit einer als Abschirmleitung dienenden äußeren Elektrode S gegen den ersten bis n-ten Innenleiter ein Impedanzmessprofil erstellt. An die Reihe der mittleren Anschlussklemmen zwischen Schalteranschlussseite am Impedanzmessgerät 4 und Schalteranschlussseite am Transmitter sind die Sensorsignalleitungen, also die Innenleiter, anzuklemmen. Sollten die elektrischen Verbindungen 3 nicht mit einem äußeren Schirm S ausgestattet sein, so kann ersatzweise eine Impedanzmessung gegen eine gemeinsame Masseleitung, beispielsweise gegen die Gerätemasse oder gegen einen existierenden Schutzleiter- anschluss vorgenommen werden. Wird eine Sensorleitung gegen Gerätemasse oder gegen Schutzleiter geschaltet, so sind aufkommende störende Kapazitäten als solche zu erkennen, indem deren zeitliche Änderung in einem besonderen Vergleichsverfahren bewertet wird. Dabei wird beispielsweise das Impedanzspektrum, das mit dem 1. Sen- soranschluss als Elektrode gegen den Schutzleiteranschluss S im Frequenzbereich von beispielsweise 0,1 bis 300 kHz aufgezeichnet wurde, mit den Impedanzspektren, die mit dem 2. bis n-ten Sensoranschluss gegen den Schutzleiteranschluss S erhalten werden, einer vergleichenden Bewertung unterzogen. Dieses Bewertungsverfahren wird in einem bestimmten Zeitintervall wiederholt, um auf diese Weise maximal zulässige Varianzen zu ermitteln.
[0027] Das oben beschriebene Impedanzspektrum umfasst beispielsweise Frequenzen in einem Bereich von 0,1Hz bis 30OkHz und/oder Amplituden von 10 Mikro-Volt bis 800 mV detektiert.
[0028] Bezugszeichenliste [0029]
[0030]

Claims

Ansprüche
[0001] Messvorrichtung (1) zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer
Prozessgröße, mit mindestens einer Sensoreinheit (2), und mit mindestens einer elektrischen Verbindung (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Impedanzmesseinheit (4) vorgesehen ist, welche mit einem elektrischen Prüfsignal ein von der Frequenz und/oder der Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung (3) und/oder der Sensoreinheit (2) aufnimmt.
[0002] Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Impedanzüberwachungseinheit (5) vorgesehen ist, welche das aufgenommene Impedanzspektrum mit mindestens einem hinterlegten Impedanzspektrum und/oder mindestens einen Wert des Impedanzspektrums mit einem hinterlegten Impedanzwert vergleicht und welche eine Abweichung verarbeitet.
[0003] Messvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei elektrische Verbindungen (3) vorgesehen sind, und dass die Impedanzmesseinheit (4) derartig ausgestaltet ist, dass sie reversibel mit den Leitungen (3) und der Sensoreinheit (2) verbindbar ist.
[0004] Messvorrichtung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Prozessgröße um die Temperatur und bei der Sensoreinheit (2) um ein temperaturabhängiges Widerstandselement handelt.
[0005] Verfahren zur Überwachung einer Messvorrichtung (1), wobei die
Messvorrichtung (1) mindestens eine Sensoreinheit (2) und mindestens eine elektrische Verbindung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens eines Prüfsignals ein von der Frequenz und/oder der Amplitude des Prüfsignals abhängiges Impedanzspektrum der elektrischen Verbindung (3) und/ oder der Sensoreinheit (2) aufgenommen wird.
[0006] Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgenommene
Impedanzspektrum mit mindestens einem hinterlegten Impedanzspektrum und/ oder mindestens ein Wert des Impedanzspektrums mit einem hinterlegten Impedanzwert verglichen wird.
[0007] Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach mindestens einem der
Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Impedanzmesseinheit (4) vorgesehen ist, dass die Impedanzmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass sie an die Messvorrichtung (1) anschließbar ist, und dass sie den elektrischen Widerstand mindestens der elektrischen Verbindung (3) und/ oder der Sensoreinheit (2) misst.
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