WO2010054676A1 - Pressure transducer for process instrumentation and method for measuring pressure - Google Patents
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- G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
Definitions
- the invention relates to a pressure transmitter for process instrumentation with a pressure sensor with a membrane, on one side of the pressure to be measured and on the other side a reference pressure are guided, and with at least one sensor element for detecting a deflection of the membrane according to the preamble of claim 1 and a method for pressure measurement with such a pressure transducer.
- Transmitters are used to record process variables, such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium.
- process variables such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium.
- actuators By means of actuators, the process flow can be influenced as a function of detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station.
- actuators may be mentioned a control valve, a heater or a pump.
- pressure transmitters are essential sensory components in the context of automated production processes. With regard to an optimal plant behavior and a permanently high product quality, high-quality transducers are necessary, which provide long-term stable and low error measured values even under extreme conditions.
- a SITRANS P pressure transmitter for process instrumentation which has sensor elements arranged on a membrane for detecting the membrane deflection as a result of the applied pressure and for generating a measurement signal representing this pressure , wherein an evaluation device determines a measured value of the pressure as a function of the measuring signal.
- the determined pressure value is compared with a reference pressure value, for which purpose the pressure signal representing the measurement signal is evaluated.
- This measurement signal usually produces material voltage-dependent, piezoresistive resistances, which are interconnected in a Wheatstone bridge.
- a disadvantage is that the measurement results over a longer periods due to aging effects of the piezoresistive resistors and the membrane or due to outgassing of a filling oil in a measuring chamber which is provided for transmission of the process pressure to be measured to the membrane, drift and after some time, the accuracy requirements are no longer sufficient, so that recalibration measures are required.
- the invention has for its object to provide a pressure transducer for process instrumentation, which is characterized by improved long-term stability and thus can be operated longer without recalibration. Another object is to find a suitable method of pressure measurement with such a pressure transducer.
- the pressure transmitter for process instrumentation of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features on.
- the invention has the advantage that it can be integrated in a simple manner into a pressure transmitter with a micromechanically produced silicon diaphragm which carries a piezoresistive bridge circuit for detecting the diaphragm deflection.
- a micromechanically produced silicon diaphragm which carries a piezoresistive bridge circuit for detecting the diaphragm deflection.
- Such a structure is used for example in the known pressure transmitter SITRANS P.
- SITRANS P On one side of the membrane of the pressure to be measured, on the other side a reference pressure of a reference pressure chamber is performed.
- the reference pressure chamber is now filled with a medium whose pressure has a known temperature dependence.
- the deflection of the membrane can be detected by the piezoresistive measuring resistors of the bridge circuit.
- the deflection of the diaphragm can, of course, be measured using inductive, capacitive or optical transducers.
- the medium is brought in the reference pressure chamber by means of a temperature change to that temperature at which the membrane is in a predetermined position, which is preferably free of mechanical stresses.
- the resulting temperature is precisely measured, for example, with a thermocouple or a temperature-dependent resistor.
- the pressure to be measured On the physical relationship between the pressure of the medium in the reference pressure chamber and its temperature, which ultimately depends only on the physical properties of the medium, the pressure to be measured, which can also be referred to as system or process pressure, determined and abandonedge - ben. If the reference pressure chamber is designed to be diffusion-tight, then the amount of medium located in the reference pressure chamber does not change over the service life of the pressure transmitter and there is no contamination of the medium either instead of. Since the measurement of the system pressure essentially depends only on the long-term stability of the medium in the reference pressure chamber and the accuracy of the temperature measurement, which can also be performed very long-term stable, the new pressure transducer is characterized by a comparatively good long-term stability with relatively little technical effort for his Realization off.
- Membrane - as already indicated above - is designed as a piezoresistive full bridge circuit, the bridge voltage is used as a position signal, and also if the value zero of the bridge voltage is used as the predetermined value of the position signal, which is achieved by means of the temperature setting, this has the advantage that also the sensor element is characterized by an excellent long-term stability. For example, if the individual resistors of the bridge circuit experience a drift due to aging effects, this does not affect a shift in the zero position of the bridge voltage, since all measuring resistors of the circuit are exposed to the same influences and thus experience the same drift. In addition, for the realization of the sensor element for detecting the diaphragm deflection no redesign of a conventional membrane is required, as used for example in the pressure transmitter SITRANS P.
- the membrane can be in the state of a pressure equilibrium between the two membrane sides at the predetermined value of the position signal substantially.
- the membrane is free of mechanical stresses and aging phenomena, for example material fatigue. These then do not lead to a drift of the membrane layer in the equilibrium state. This further improves the long-term stability of the pressure transmitter.
- the reference pressure chamber is filled with a medium which, at the operating temperature of the pressure measuring partly in the gaseous and partly in the liquid state of aggregation.
- the vapor pressure is the pressure of the vaporous phase of a substance when the liquid and gaseous phases are in equilibrium.
- the vapor pressure of a pure substance is only dependent on its temperature. When the temperature or volume changes, so much of the substance evaporates or condenses, until at equilibrium the vapor pressure again reaches the saturation vapor pressure.
- even small leaks in the reference pressure chamber are therefore tolerable, as long as there is still a two-phase mixture of the medium in the chamber.
- the pressure sensor with the novel measuring principle can be used as a reference for calibrating a pressure sensor, which performs the pressure measurement according to a conventional principle.
- both pressure sensors are subjected to the same system pressure and the pressure sensor, which operates according to the conventional principle, is calibrated with the aid of the long-term stable measuring signal of the reference pressure sensor with a new measuring principle, in particular if a constant system pressure is present for a certain period of time.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a pressure sensor of a pressure transducer
- FIG. 2 is a block diagram of a pressure transmitter
- FIG. 3 shows a block diagram for explaining the temperature setting
- FIG. 4 shows a flowchart of the pressure measurement
- a pressure sensor 1 for a pressure transducer comprises, according to FIG. 1, a silicon membrane 2 which is arranged on a substrate 3.
- a system pressure P acts, on the other side a reference pressure, which is generated by a medium 5, 6 in a reference pressure chamber 4.
- a part 5 of the medium is in the gaseous state, a part 6 in the liquid state.
- measuring resistors 7 doped in the upper side of the diaphragm are used, which are electrically connected to form a Wheatstone full bridge.
- the reference pressure in the reference pressure chamber 4 corresponds to the saturation vapor pressure of the medium and is therefore almost exclusively dependent on the temperature of the medium.
- a control signal u is given to the two connections of the heater 8.
- a temperature signal T is generated, which corresponds to the temperature of the medium. So that the medium remains as permanently as possible in the reference pressure chamber 4, this is made almost diffusion-tight.
- FIG. 2 the basic interconnection of the pressure sensor 1 with an evaluation device 20 of a pressure transmitter 24 is shown.
- the system pressure P is guided as a physical variable to be measured.
- the pressure sensor 1 transmits to the evaluation device 20 a displacement signal x representing the deflection of the diaphragm 2 (FIG. 1), which in the illustrated embodiment corresponds to the bridge voltage and the temperature signal T representing the fluid temperature.
- the evaluation device 20 determines based on these signals x and T in a manner to be described in more detail later, a temperature control signal u, in the pressure sensor 1 for controlling a
- Heating and possibly also for controlling a cooling for the medium in the reference pressure chamber is used.
- a value of the system pressure P to be measured is determined in the evaluation device 20 on the basis of a vapor pressure curve stored in a memory 21 and, for example, via a fieldbus or a fourth to 20 mA interface 22 to a programmable logic controller or a control station for further processing in a process plant, in which the pressure transmitter 24 is used issued.
- a suitably programmed microcomputer 23 is present, which performs the necessary calculations, inter alia, to specify the temperature control signal u or to determine the pressure measurements.
- control variable x the position signal repre- senting the deflection is used, which corresponds to the bridge voltage of the bridge circuit located on diaphragm 2 (FIG. 1).
- a control deviation is determined, which is on a controller 30, such as a PID controller, out. This provides a default value of the temperature control signal u, with which a temperature actuator 31 is driven for heating or cooling.
- a member 32 in the control loop according to FIG. 3 represents means for detecting the temperature T of the medium and the sensor element for detecting the deflection of the diaphragm and for generating the displacement signal representing the position signal x, which, as already explained above, corresponds to the bridge voltage in the embodiment shown , With the aid of the actuator 31, the temperature of the medium in the reference pressure chamber is thus adjusted such that the position signal x assumes the predetermined value zero, at which the membrane of the pressure sensor just does not deform.
- the temperature T of the medium is always tracked by the controller 30 so that the position signal x, and thus the bridge voltage of the piezoresistive bridge circuit and the material stresses in the membrane, are regulated to zero. In the regulated state, a pressure equilibrium prevails between the two sides of the membrane.
- FIG. 4 shows the basic sequence of a cycle for measuring the system pressure P.
- a step S1 first the position signal x is adjusted, as described with reference to FIG.
- the position signal x goes to a step S2, in which the temperature T of the medium is measured accurately.
- the reference pressure is subsequently determined on the basis of the stored vapor pressure curve, which reflects the previously known temperature dependence of the media pressure.
- a value of the system pressure P is then calculated in a step S4 and output, for example, to a higher-level control station.
- the value of the system pressure P is determined and output via a physically fundamental, substance-dependent and constant relationship, namely via the vapor pressure curve of the medium.
- the reference pressure chamber is designed to be diffusion-tight, no medium is consumed over the entire service life of the pressure sensor, and there is also no mistaking cleaning the medium instead. Even small leaks are tolerable as long as there is still a two-phase mixture in the reference pressure chamber.
- the measuring range of the pressure transducer is essentially determined by the vapor pressure curve of the medium, which in this case can also be referred to as liquefied gas.
- the vapor pressure range of the liquefied gas lies within the microtechnically manageable temperature range for doped silicon, which is usually chosen as the material for the membrane.
- the lower and upper limits of the pressure transmitter should also be overlapped if possible.
- a suitable liquid gas must therefore be selected according to the absolute size and position of the measuring range. For high-pressure sensors, for example, low-order paraffins with a steep vapor pressure curve and for low-pressure sensors higher-order paraffins with a flatter vapor pressure curve are recommended.
- FIG. 5 shows vapor pressure values for various paraffins in a diagram.
- the abscissa shows the temperature in 0 C, the ordinate the pressure P in megapascals. Values of the same paraffin are marked with the same symbols. The following assignment of symbols provided with reference signs applies:
- Vapor pressure curve 60 are derived according to Figure 5 comparative values.
- the uncertainty of the vapor pressure curve 60 is 0.02% of the absolute value. This corresponds to a pressure of 8364 mbar at 20 ° C corresponding to the vapor pressure curve 60 with a maximum deviation of +/- 1.7 mbar.
- a temperature measurement with a maximum error of +/- 0.02 K thus means an uncertainty of the measured pressure value of a total of +/- 5 mbar.
- the measurement error is thus significantly lower than with the conventional pressure transmitter. It follows that the pressure can be measured much more accurately if the temperature measurement is accurate.
- the long-term stability of the new pressure transmitter is also significantly better than that of the conventional pressure transmitter SITRANS P, as the reference pressure chamber can be made diffusion-tight and the temperature measurement can be designed for a long-term stability.
- the pressure transmitter does not require a factory calibration or recalibration of the pressure, only the temperature measuring point has to be calibrated at the factory.
- a recalibration can thus be completely eliminated.
- the temperature dependence of the vapor pressure is stored in the memory 21 of the evaluation device 20 according to FIG.
- the mechanical Demands on the diaphragm 2 of the pressure sensor shown in Figure 1 are relatively low and can therefore be realized with inexpensive components.
- the setting of the temperature is such that the position signal of the pressure sensor corresponds to a predetermined value, with standard components without much effort feasible.
- a temperature measuring point with the required accuracy is already integrated in a conventional SITRANS P pressure transmitter because the temperature on the diaphragm of the pressure sensor is recorded and its influence on the measured value compensated. In the condition of a temperature compensation within the sensor, this corresponds to the temperature of the medium, nevertheless it is advantageous to provide a temperature sensor directly for the medium temperature.
- the new pressure transmitter is thus a pressure gauge with a pressure sensor which has a long-term stable pressure reference due to the dependence of the vapor pressure on the temperature.
- the pressure measurement can be traced back to a temperature measurement and by a control pressure in the pressure sensor is built up a back pressure, which corresponds to the system pressure.
- a pressure sensor is available in which the sensor membrane is not deformed during the measurement and is therefore free from mechanical stresses.
- the use of a vapor pressure curve as a pressure reference has the advantage that it represents a fundamental, long-term stable material property that is highly accurately referenced for many technically relevant substances and known for example for propane with an uncertainty of 0.02%. This eliminates the need for pressure calibration at the factory and no recalibration in the field.
- Another advantage is that the mechanical requirements on the pressure sensor are rather low and thus the use of inexpensive sensors is made possible.
- the realization of a pressure sensor with a pressure reference on the basis of the vapor pressure curve of a medium in the reference pressure chamber is also advantageously already carried out with comparatively small deviations. Conversions of the established pressure transmitter SITRANS P possible.
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Abstract
The invention relates to a pressure transducer for process instrumentation and to a method for measuring pressure using a pressure transducer having a pressure sensor (1) with a diaphragm (2), on one side of which the pressure (P) to be measured is guided and on the other side of which a reference pressure is guided. In order to generate the reference pressure, a reference pressure chamber (4) is filled with a medium (5, 6), the pressure of which has a previously known temperature dependence. Means (8) for adjusting the temperature (T) of the medium are provided such that a position signal which represents the deflection of the diaphragm (2) corresponds to a predefined value. An evaluation device (20) determines the pressure (P) to be measured on the basis of the temperature (T) of the medium (5, 6), which temperature has been adjusted in this manner, and outputs said pressure. Since a fundamental material property which is stable over a long period of time results when using a liquid gas, the vapour pressure curve of which is used as a pressure reference, a pressure transducer which has a high degree of accuracy and particularly good long-term stability and manages without factory calibration and recalibration of the pressure in the field is obtained.
Description
Beschreibungdescription
Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung sowie Verfahren zur DruckmessungPressure transmitter for process instrumentation and pressure measurement
Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Drucksensor mit einer Membran, auf deren eine Seite der zu messende Druck und auf deren andere Seite ein Referenzdruck geführt sind, und mit zumindest einem Sensorelement zur Erfassung einer Auslenkung der Membran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer.The invention relates to a pressure transmitter for process instrumentation with a pressure sensor with a membrane, on one side of the pressure to be measured and on the other side a reference pressure are guided, and with at least one sensor element for detecting a deflection of the membrane according to the preamble of claim 1 and a method for pressure measurement with such a pressure transducer.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Pro- zessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Insbesondere in verfahrenstechnischen Anlagen stellen Druckmessumformer wesentliche sensorische Komponenten im Rahmen von automatisierten Produktionsabläufen dar. Im Hinblick auf ein optimales Anlagenverhalten und eine dauerhaft hohe Produktqualität sind qualitativ hochwertige Messumformer notwendig, die auch unter extremen Bedingungen langzeitstabile und wenig fehlerbehaftete Messwerte liefern.In process engineering plants, a variety of field devices are used for process instrumentation to control processes. Transmitters are used to record process variables, such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium. By means of actuators, the process flow can be influenced as a function of detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station. As examples of actuators may be mentioned a control valve, a heater or a pump. Especially in process engineering plants, pressure transmitters are essential sensory components in the context of automated production processes. With regard to an optimal plant behavior and a permanently high product quality, high-quality transducers are necessary, which provide long-term stable and low error measured values even under extreme conditions.
Aus dem Siemens-Katalog „ST FI 01-2008", Kapitel 1 ist ein Druckmessumformer SITRANS P zur Prozessinstrumentierung bekannt. Dieser weist auf einer Membran angeordnete Sensorele- mente zur Erfassung der Membrandurchbiegung infolge des einwirkenden Druckes und zur Erzeugung eines diesen Druck repräsentierenden Messsignals auf, wobei eine Auswerteeinrichtung
einen Messwert des Drucks in Abhängigkeit des Messsignals bestimmt.From the Siemens catalog "ST FI 01-2008", chapter 1, a SITRANS P pressure transmitter for process instrumentation is known, which has sensor elements arranged on a membrane for detecting the membrane deflection as a result of the applied pressure and for generating a measurement signal representing this pressure , wherein an evaluation device determines a measured value of the pressure as a function of the measuring signal.
Um genaue Messergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, derartige Messumformer im Rahmen einer Werkseinstellung zu kalibrieren. Dabei wird der ermittelte Druckwert mit einem Referenzdruckwert verglichen, wozu das den Druck repräsentierende Messsignal ausgewertet wird. Dieses Messsignal erzeugen üblicherweise materialspannungsabhängige, piezoresistive Wi- derstände, die in einer Wheatstone-Brücke miteinander verschaltet sind. Nachteilig ist, dass die Messergebnisse über längere Zeiträume aufgrund von Alterungseffekten der piezore- sistiven Widerstände und der Membran oder aufgrund von Ausgasungen eines Füllöls in einer Messkammer, welches zur Über- tragung des zu messenden Prozessdrucks zu der Membran vorgesehen ist, eine Drift erfahren und nach gewisser Zeit den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügen, so dass Reka- librierungsmaßnahmen erforderlich werden. Diese Maßnahmen sind aufwendig, da gewöhnlich der Messumformer von der pro- zesstechnischen Anlage abgetrennt und im Werk oder im Labor neu kalibriert werden muss. Beispielsweise werden dabei durch eine Handspindel verschiedene Prüfdrücke erzeugt, die gleichzeitig auf den zu kalibrierenden Druckmessumformer und ein Referenzgerät gegeben werden. Der Druckmessumformer kann da- bei punktuell genau auf die Messwerte des Referenzgeräts abgeglichen werden.In order to obtain accurate measurement results, it is necessary to calibrate such transducers as part of a factory setting. In this case, the determined pressure value is compared with a reference pressure value, for which purpose the pressure signal representing the measurement signal is evaluated. This measurement signal usually produces material voltage-dependent, piezoresistive resistances, which are interconnected in a Wheatstone bridge. A disadvantage is that the measurement results over a longer periods due to aging effects of the piezoresistive resistors and the membrane or due to outgassing of a filling oil in a measuring chamber which is provided for transmission of the process pressure to be measured to the membrane, drift and after some time, the accuracy requirements are no longer sufficient, so that recalibration measures are required. These measures are expensive because usually the transmitter must be disconnected from the process equipment and recalibrated in the factory or in the laboratory. For example, different test pressures are generated by a hand spindle, which are simultaneously given to the pressure transmitter to be calibrated and a reference device. The pressure transmitter can be precisely adjusted to the measured values of the reference device.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, der sich durch eine verbesserte Langzeitstabilität auszeichnet und somit länger ohne Rekalibrierung betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein geeignetes Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer zu finden.The invention has for its object to provide a pressure transducer for process instrumentation, which is characterized by improved long-term stability and thus can be operated longer without recalibration. Another object is to find a suitable method of pressure measurement with such a pressure transducer.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Druckmessumformers, in Anspruch 5 ein Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer beschrieben.To solve this problem, the pressure transmitter for process instrumentation of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features on. In the dependent claims advantageous developments of the pressure transducer, in claim 5, a method for pressure measurement with such a pressure transducer described.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie in einfacher Weise in einen Druckmessumformer mit mikromechanisch hergestellter Siliziummembran, die eine piezoresistive Brückenschaltung zur Erfassung der Membranauslenkung trägt, integriert werden kann. Ein derartiger Aufbau wird beispielsweise bei dem bekannten Druckmessumformer SITRANS P verwendet. Auf die eine Seite der Membran wird der zu messende Druck, auf die andere Seite ein Referenzdruck einer Referenzdruckkammer geführt. Die Referenzdruckkammer wird nun mit einem Medium befüllt, dessen Druck eine vorbekannte Temperaturabhängigkeit besitzt. In vorteilhafter Weise kann durch die piezoresistiven Messwiderstände der Brückenschaltung die Auslenkung der Membran er- fasst werden. Alternativ zur Verwendung einer piezoresistiven Vollbrückenschaltung kann die Auslenkung der Membran selbst- verständlich mit induktiven, kapazitiven oder optischen Aufnehmern gemessen werden. Durch eine Heizung oder eine Kühlung wird das Medium in der Referenzdruckkammer mit Hilfe einer Temperaturänderung auf diejenige Temperatur gebracht, bei der sich die Membran in einer vorgegebenen Lage befindet, die vorzugsweise frei von mechanischen Spannungen ist. Es herrscht dann ein Druckgleichgewicht zwischen den beiden Membranseiten. Die sich dabei einstellende Temperatur wird beispielsweise mit einem Thermoelement oder einem temperaturabhängigen Widerstand präzise gemessen. Über den physikali- sehen Zusammenhang zwischen dem Druck des Mediums in der Referenzdruckkammer und seiner Temperatur, der letztlich nur noch von den physikalischen Eigenschaften des Mediums abhängt, wird der zu messende Druck, der auch als System- oder Prozessdruck bezeichnet werden kann, ermittelt und ausgege- ben. Ist die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt, so verändert sich die Menge des in der Referenzdruckkammer befindlichen Mediums über die Lebensdauer des Druckmessumformers nicht und es findet auch keine Kontamination des Mediums
statt. Da der Messwert des Systemdrucks im Wesentlichen nur noch von der Langzeitstabilität des in der Referenzdruckkammer befindlichen Mediums und der Genauigkeit der Temperaturmessung abhängt, die ebenfalls sehr langzeitstabil ausgeführt werden kann, zeichnet sich der neue Druckmessumformer durch eine vergleichsweise gute Langzeitstabilität bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand für seine Realisierung aus.The invention has the advantage that it can be integrated in a simple manner into a pressure transmitter with a micromechanically produced silicon diaphragm which carries a piezoresistive bridge circuit for detecting the diaphragm deflection. Such a structure is used for example in the known pressure transmitter SITRANS P. On one side of the membrane of the pressure to be measured, on the other side a reference pressure of a reference pressure chamber is performed. The reference pressure chamber is now filled with a medium whose pressure has a known temperature dependence. Advantageously, the deflection of the membrane can be detected by the piezoresistive measuring resistors of the bridge circuit. As an alternative to the use of a piezoresistive full-bridge circuit, the deflection of the diaphragm can, of course, be measured using inductive, capacitive or optical transducers. By heating or cooling, the medium is brought in the reference pressure chamber by means of a temperature change to that temperature at which the membrane is in a predetermined position, which is preferably free of mechanical stresses. There is then a pressure balance between the two membrane sides. The resulting temperature is precisely measured, for example, with a thermocouple or a temperature-dependent resistor. On the physical relationship between the pressure of the medium in the reference pressure chamber and its temperature, which ultimately depends only on the physical properties of the medium, the pressure to be measured, which can also be referred to as system or process pressure, determined and ausgege - ben. If the reference pressure chamber is designed to be diffusion-tight, then the amount of medium located in the reference pressure chamber does not change over the service life of the pressure transmitter and there is no contamination of the medium either instead of. Since the measurement of the system pressure essentially depends only on the long-term stability of the medium in the reference pressure chamber and the accuracy of the temperature measurement, which can also be performed very long-term stable, the new pressure transducer is characterized by a comparatively good long-term stability with relatively little technical effort for his Realization off.
Wenn das Sensorelement zur Erfassung der Auslenkung derIf the sensor element for detecting the deflection of the
Membran - wie bereits oben angedeutet - als eine piezore- sistive Vollbrückenschaltung ausgeführt ist, deren Brückenspannung als Lagesignal dient, und wenn zudem der Wert Null der Brückenspannung als der vorgegebene Wert des Lagesignals verwendet wird, der mit Hilfe der Temperatureinstellung erreicht wird, so hat dies den Vorteil, dass sich auch das Sensorelement durch eine hervorragende Langzeitstabilität auszeichnet. Erfahren nämlich die einzelnen Widerstände der Brückenschaltung aufgrund von Alterungseffekten eine Drift, so wirkt sich diese nicht auf eine Verschiebung der Nulllage der Brückenspannung aus, da alle Messwiderstände der Schaltung denselben Einflüssen ausgesetzt sind und damit dieselbe Drift erfahren. Zudem ist für die Realisierung des Sensorelements zur Erfassung der Membranauslenkung keine Neugestaltung einer herkömmlichen Membran erforderlich, wie sie beispielsweise in dem Druckmessumformer SITRANS P Verwendung findet.Membrane - as already indicated above - is designed as a piezoresistive full bridge circuit, the bridge voltage is used as a position signal, and also if the value zero of the bridge voltage is used as the predetermined value of the position signal, which is achieved by means of the temperature setting, this has the advantage that also the sensor element is characterized by an excellent long-term stability. For example, if the individual resistors of the bridge circuit experience a drift due to aging effects, this does not affect a shift in the zero position of the bridge voltage, since all measuring resistors of the circuit are exposed to the same influences and thus experience the same drift. In addition, for the realization of the sensor element for detecting the diaphragm deflection no redesign of a conventional membrane is required, as used for example in the pressure transmitter SITRANS P.
In vorteilhafter Weise kann sich die Membran beim vorgegebenen Wert des Lagesignals im Wesentlichen im Zustand eines Druckgleichgewichts zwischen den beiden Membranseiten befinden. In diesem Fall ist die Membran nämlich frei von mechanischen Spannungen und Alterungserscheinungen, zum Beispiel eine Materialermüdung. Diese führen dann nicht zu einer Drift der Membranlage im Gleichgewichtszustand. Damit wird die Langzeitstabilität des Druckmessumformers weiter verbessert.In an advantageous manner, the membrane can be in the state of a pressure equilibrium between the two membrane sides at the predetermined value of the position signal substantially. In this case, the membrane is free of mechanical stresses and aging phenomena, for example material fatigue. These then do not lead to a drift of the membrane layer in the equilibrium state. This further improves the long-term stability of the pressure transmitter.
Vorzugsweise wird die Referenzdruckkammer mit einem Medium befüllt, das sich bei Betriebstemperatur des Druckmessumfor-
mers zum Teil im gasförmigen und zum Teil im flüssigen Aggregatzustand befindet. Das hat den Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit des Mediendrucks in besonders langzeitstabi- ler Weise durch die Dampfdruckkurve des Mediums beschrieben werden kann. Der Dampfdruck ist der Druck der dampfförmigen Phase eines Stoffes, wenn sich die flüssigen und gasförmigen Phasen im Gleichgewicht befinden. Der Dampfdruck eines Reinstoffes ist lediglich von seiner Temperatur abhängig. Bei einer Temperatur- oder Volumenänderung verdampft oder konden- siert soviel des Stoffes, bis im Gleichgewicht der Dampfdruck wieder den Sättigungsdampfdruck erreicht. Bei Verwendung eines derartigen Mediums sind daher selbst geringe Leckagen der Referenzdruckkammer tolerierbar, solange in der Kammer noch ein Zweiphasengemisch des Mediums vorliegt.Preferably, the reference pressure chamber is filled with a medium which, at the operating temperature of the pressure measuring partly in the gaseous and partly in the liquid state of aggregation. This has the advantage that the temperature dependence of the media pressure can be described in a particularly long-term stable manner by the vapor pressure curve of the medium. The vapor pressure is the pressure of the vaporous phase of a substance when the liquid and gaseous phases are in equilibrium. The vapor pressure of a pure substance is only dependent on its temperature. When the temperature or volume changes, so much of the substance evaporates or condenses, until at equilibrium the vapor pressure again reaches the saturation vapor pressure. When using such a medium, even small leaks in the reference pressure chamber are therefore tolerable, as long as there is still a two-phase mixture of the medium in the chamber.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Drucksensor mit dem neuartigen Messprinzip als Referenz zur Kalibrierung eines Drucksensors verwendet werden, der die Druckmessung nach herkömmlichem Prinzip durchführt. Dazu werden beide Drucksenso- ren mit demselben Systemdruck beaufschlagt und der Drucksensor, der nach herkömmlichem Prinzip arbeitet, wird insbesondere, wenn für einen gewissen Zeitraum ein konstanter Systemdruck anliegt, mit Hilfe des langzeitstabilen Messsignals des Referenzdrucksensors mit neuem Messprinzip kalibriert. Das hat den Vorteil, dass der Vorzug der Langzeitstabilität des neuen Drucksensors mit dem Vorzug der Reaktionsschnelligkeit auf Druckschwankungen des herkömmlichen Drucksensors kombiniert wird.In a further embodiment, the pressure sensor with the novel measuring principle can be used as a reference for calibrating a pressure sensor, which performs the pressure measurement according to a conventional principle. For this purpose, both pressure sensors are subjected to the same system pressure and the pressure sensor, which operates according to the conventional principle, is calibrated with the aid of the long-term stable measuring signal of the reference pressure sensor with a new measuring principle, in particular if a constant system pressure is present for a certain period of time. This has the advantage that the merit of the long-term stability of the new pressure sensor with the advantage of responsiveness to pressure fluctuations of the conventional pressure sensor is combined.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Drucksensors eines Druckmessumformers,
Figur 2 ein Blockschaltbild eines Druckmessumformers,1 shows a schematic representation of a pressure sensor of a pressure transducer, FIG. 2 is a block diagram of a pressure transmitter;
Figur 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Temperatureinstellung,FIG. 3 shows a block diagram for explaining the temperature setting,
Figur 4 ein Ablaufdiagramm der Druckmessung undFIG. 4 shows a flowchart of the pressure measurement and
Figur 5 Dampfdruckkurven verschiedener Paraffine.Figure 5 vapor pressure curves of various paraffins.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, like parts are given the same reference numerals.
Ein Drucksensor 1 für einen Druckmessumformer umfasst gemäß Figur 1 eine Siliziummembran 2, die auf einem Substrat 3 an- geordnet ist. Auf die eine Seite der Membran 2 wirkt ein Systemdruck P, auf die andere Seite ein Referenzdruck, der durch ein Medium 5, 6 in einer Referenzdruckkammer 4 erzeugt wird. Ein Teil 5 des Mediums befindet sich im gasförmigen Aggregatzustand, ein Teil 6 im flüssigen Aggregatzustand. Zur Erfas- sung einer Auslenkung der Membran 2 dienen in die Membranoberseite eindotierte Messwiderstände 7, die elektrisch zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet sind. Der Referenzdruck in der Referenzdruckkammer 4 entspricht dem Sättigungsdampfdruck des Mediums und ist daher praktisch ausschließlich von der Medientemperatur abhängig. Durch Einstellen der Temperatur mit Hilfe einer Heizung 8, die in Figur 1 schematisch als Heizwendel dargestellt ist, kann daher der Referenzdruck in einem weiten Bereich variiert werden. Dazu wird auf die beiden Anschlüsse der Heizung 8 ein Stellsignal u gegeben. Mit Hilfe eines Temperatursensors 10 als Mittel zur Erfassung der Temperatur wird ein Temperatursignal T erzeugt, das der Medientemperatur entspricht. Damit das Medium in der Referenzdruckkammer 4 möglichst dauerhaft verbleibt, ist diese annähernd diffusionsdicht ausgeführt.A pressure sensor 1 for a pressure transducer comprises, according to FIG. 1, a silicon membrane 2 which is arranged on a substrate 3. On one side of the membrane 2, a system pressure P acts, on the other side a reference pressure, which is generated by a medium 5, 6 in a reference pressure chamber 4. A part 5 of the medium is in the gaseous state, a part 6 in the liquid state. To detect a deflection of the diaphragm 2, measuring resistors 7 doped in the upper side of the diaphragm are used, which are electrically connected to form a Wheatstone full bridge. The reference pressure in the reference pressure chamber 4 corresponds to the saturation vapor pressure of the medium and is therefore almost exclusively dependent on the temperature of the medium. By setting the temperature by means of a heater 8, which is shown schematically in Figure 1 as a heating coil, therefore, the reference pressure can be varied within a wide range. For this purpose, a control signal u is given to the two connections of the heater 8. By means of a temperature sensor 10 as a means for detecting the temperature, a temperature signal T is generated, which corresponds to the temperature of the medium. So that the medium remains as permanently as possible in the reference pressure chamber 4, this is made almost diffusion-tight.
In dem Blockschaltbild gemäß Figur 2 ist die prinzipielle Verschaltung des Drucksensors 1 mit einer Auswerteeinrichtung 20 eines Druckmessumformers 24 dargestellt. Auf den Drucksen-
sor 1 wird, wie schon anhand Figur 1 beschrieben, der Systemdruck P als zu messende physikalische Größe geführt. Durch den Drucksensor 1 werden an die Auswerteeinrichtung 20 ein die Auslenkung der Membran 2 (Figur 1) repräsentierendes La- gesignal x, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brückenspannung entspricht, und das Temperatursignal T, das die Medientemperatur repräsentiert, übergeben. Die Auswerteeinrichtung 20 ermittelt anhand dieser Signale x und T auf eine später noch genauer beschriebene Weise ein Temperatur- Stellsignal u, das im Drucksensor 1 zur Ansteuerung einerIn the block diagram according to FIG. 2, the basic interconnection of the pressure sensor 1 with an evaluation device 20 of a pressure transmitter 24 is shown. On the pressure As already described with reference to FIG. 1, the system pressure P is guided as a physical variable to be measured. The pressure sensor 1 transmits to the evaluation device 20 a displacement signal x representing the deflection of the diaphragm 2 (FIG. 1), which in the illustrated embodiment corresponds to the bridge voltage and the temperature signal T representing the fluid temperature. The evaluation device 20 determines based on these signals x and T in a manner to be described in more detail later, a temperature control signal u, in the pressure sensor 1 for controlling a
Heizung und gegebenenfalls auch zur Ansteuerung einer Kühlung für das Medium in der Referenzdruckkammer dient. In Abhängigkeit der Temperatur T des Mediums, die sich einstellt, wenn das Lagesignal x einem vorgegebenen Wert entspricht, wird in der Auswerteeinrichtung 20 anhand einer in einem Speicher 21 hinterlegten Dampfdruckkurve ein Wert des zu messenden Systemdrucks P bestimmt und beispielsweise über einen Feldbus oder eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle 22 an eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine Leitstation zur weiteren Verarbeitung in einer prozesstechnischen Anlage, in welcher der Druckmessumformer 24 eingesetzt ist, ausgegeben. In der Auswerteeinrichtung 20 ist ein geeignet programmierter Mikrocomputer 23 vorhanden, der die erforderlichen Berechnungen unter anderem zur Vorgabe des Temperaturstellsignals u oder zur Bestimmung der Druckmesswerte durchführt.Heating and possibly also for controlling a cooling for the medium in the reference pressure chamber is used. Depending on the temperature T of the medium, which is established when the position signal x corresponds to a predetermined value, a value of the system pressure P to be measured is determined in the evaluation device 20 on the basis of a vapor pressure curve stored in a memory 21 and, for example, via a fieldbus or a fourth to 20 mA interface 22 to a programmable logic controller or a control station for further processing in a process plant, in which the pressure transmitter 24 is used issued. In the evaluation device 20, a suitably programmed microcomputer 23 is present, which performs the necessary calculations, inter alia, to specify the temperature control signal u or to determine the pressure measurements.
Die Berechnung der Vorgabewerte für das Temperaturstellsignal u erfolgt mit Hilfe einer Regelung, die anhand Figur 3 näher erläutert wird. Als Regelgröße x wird das die Auslenkung rep- räsentierende Lagesignal verwendet, welches der Brückenspannung der auf der Membran 2 (Figur 1) befindlichen Brückenschaltung entspricht. Mit Hilfe eines Vergleichers, auf welchen neben dem Lagesignal x ein Sollwert 0 (Null) geführt ist, wird eine Regelabweichung bestimmt, welche auf einen Regler 30, beispielsweise einen PID-Regler, geführt ist. Dieser liefert einen Vorgabewert des Temperaturstellsignals u, mit dem ein Temperaturstellglied 31 zur Heizung oder Kühlung angesteuert wird. Mit der Temperaturänderung des Mediums an-
dert sich der Referenzdruck in der Referenzdruckkaituner 4 (Figur 1) der mit Hilfe der Membran 2 (Figur 1) mit dem Systemdruck P verglichen wird. Ein Glied 32 in dem Regelkreis gemäß Figur 3 repräsentiert Mittel zur Erfassung der Temperatur T des Mediums und das Sensorelement zur Erfassung der Auslenkung der Membran und zur Erzeugung des die Auslenkung repräsentierenden Lagesignals x, das, wie bereits oben erläutert, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Brückenspannung entspricht. Mit Hilfe des Stellglieds 31 wird somit die Tempera- tur des Mediums in der Referenzdruckkammer derart eingestellt, dass das Lagesignal x den vorgegebenen Wert Null annimmt, bei welchem sich die Membran des Drucksensors gerade nicht verformt. Bei sich änderndem Systemdruck P wird die Temperatur T des Mediums durch den Regler 30 stets so nachge- führt, dass das Lagesignal x, und damit die Brückenspannung der piezoresistiven Brückenschaltung und die Materialspannungen in der Membran, auf Null geregelt werden. Im ausgeregelten Zustand herrscht nämlich ein Druckgleichgewicht zwischen den beiden Seiten der Membran.The calculation of the default values for the temperature control signal u is carried out with the aid of a control, which is explained in more detail with reference to FIG. As control variable x, the position signal repre- senting the deflection is used, which corresponds to the bridge voltage of the bridge circuit located on diaphragm 2 (FIG. 1). With the aid of a comparator, on which in addition to the position signal x a setpoint 0 (zero) is performed, a control deviation is determined, which is on a controller 30, such as a PID controller, out. This provides a default value of the temperature control signal u, with which a temperature actuator 31 is driven for heating or cooling. With the temperature change of the medium is the reference pressure in the Referenzdruckkaituner 4 (Figure 1) which is compared using the membrane 2 (Figure 1) with the system pressure P. A member 32 in the control loop according to FIG. 3 represents means for detecting the temperature T of the medium and the sensor element for detecting the deflection of the diaphragm and for generating the displacement signal representing the position signal x, which, as already explained above, corresponds to the bridge voltage in the embodiment shown , With the aid of the actuator 31, the temperature of the medium in the reference pressure chamber is thus adjusted such that the position signal x assumes the predetermined value zero, at which the membrane of the pressure sensor just does not deform. With changing system pressure P, the temperature T of the medium is always tracked by the controller 30 so that the position signal x, and thus the bridge voltage of the piezoresistive bridge circuit and the material stresses in the membrane, are regulated to zero. In the regulated state, a pressure equilibrium prevails between the two sides of the membrane.
Figur 4 zeigt den prinzipiellen Ablauf eines Zyklus zur Messung des Systemdrucks P. In einem Schritt Sl wird zunächst das Lagesignal x, wie anhand Figur 3 beschrieben, eingeregelt. Wenn das Lagesignal x den vorgegebenen Wert erreicht hat, wird zu einem Schritt S2 übergegangen, in welchem die Temperatur T des Mediums exakt gemessen wird. In einem Schritt S3 erfolgt anschließend die Ermittelung des Referenzdrucks anhand der abgespeicherten Dampfdruckkurve, welche die vorbekannte Temperaturabhängigkeit des Mediendrucks wieder- spiegelt. Mit Kenntnis des Referenzdrucks wird nun in einem Schritt S4 ein Wert des Systemdrucks P berechnet und beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation ausgegeben. Somit wird über einen physikalisch fundamentalen, Stoffabhängigen und konstanten Zusammenhang, nämlich über die Dampfdruck- kurve des Mediums, der Wert des Systemdrucks P ermittelt und ausgegeben. Ist die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt, so wird über die gesamte Lebensdauer des Drucksensors kein Medium verbraucht und es findet auch keine Verun-
reinigung des Mediums statt. Selbst geringe Leckagen sind tolerierbar, solange in der Referenzdruckkammer noch ein Zweiphasengemisch vorliegt.FIG. 4 shows the basic sequence of a cycle for measuring the system pressure P. In a step S1, first the position signal x is adjusted, as described with reference to FIG. When the position signal x has reached the predetermined value, it goes to a step S2, in which the temperature T of the medium is measured accurately. In a step S3, the reference pressure is subsequently determined on the basis of the stored vapor pressure curve, which reflects the previously known temperature dependence of the media pressure. With knowledge of the reference pressure, a value of the system pressure P is then calculated in a step S4 and output, for example, to a higher-level control station. Thus, the value of the system pressure P is determined and output via a physically fundamental, substance-dependent and constant relationship, namely via the vapor pressure curve of the medium. If the reference pressure chamber is designed to be diffusion-tight, no medium is consumed over the entire service life of the pressure sensor, and there is also no mistaking cleaning the medium instead. Even small leaks are tolerable as long as there is still a two-phase mixture in the reference pressure chamber.
Bei Befüllung der Referenzdruckkammer mit einem Zweiphasengemisch wird der Messbereich des Druckmessumformers wesentlich durch die Dampfdruckkurve des Mediums, das in diesem Fall auch als Flüssiggas bezeichnet werden kann, bestimmt. Bei der Auswahl des Flüssiggases ist darauf zu achten, dass der Dampfdruckbereich des Flüssiggases im mikrotechnisch handhabbaren Temperaturbereich für dotiertes Silizium liegt, das üblicherweise als Material für die Membran gewählt wird. Die untere und obere Messbereichsgrenze des Druckmessumformers sollten zudem nach Möglichkeit überlappt werden. Ein geeigne- tes Flüssiggas ist also je nach der Absolutgröße und Lage des Messbereichs auszuwählen. Für Hochdrucksensoren empfehlen sich beispielsweise Paraffine niederer Ordnung mit steiler Dampfdruckkurve und für Niederdrucksensoren Paraffine höherer Ordnung mit flacherer Dampfdruckkurve.When filling the reference pressure chamber with a two-phase mixture, the measuring range of the pressure transducer is essentially determined by the vapor pressure curve of the medium, which in this case can also be referred to as liquefied gas. When selecting the liquefied gas, care must be taken that the vapor pressure range of the liquefied gas lies within the microtechnically manageable temperature range for doped silicon, which is usually chosen as the material for the membrane. The lower and upper limits of the pressure transmitter should also be overlapped if possible. A suitable liquid gas must therefore be selected according to the absolute size and position of the measuring range. For high-pressure sensors, for example, low-order paraffins with a steep vapor pressure curve and for low-pressure sensors higher-order paraffins with a flatter vapor pressure curve are recommended.
In Figur 5 sind Werte des Dampfdrucks für verschiedene Paraffine in einem Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse ist die Temperatur in 0C, auf der Ordinate der Druck P in Megapascal dargestellt. Werte desselben Paraffins sind mit denselben Symbolen eingezeichnet. Dabei gilt die folgende Zuordnung von mit Bezugszeichen versehenen Symbolen:FIG. 5 shows vapor pressure values for various paraffins in a diagram. The abscissa shows the temperature in 0 C, the ordinate the pressure P in megapascals. Values of the same paraffin are marked with the same symbols. The following assignment of symbols provided with reference signs applies:
50 - Methan,50 - methane,
51 - Ethan, 52 - Propan,51 - ethane, 52 - propane,
53 - Butan,53 - butane,
54 - Pentan,54 - pentane,
55 - Hexan,55 - hexane,
56 - Heptan, 57 - Oktan,56 - heptane, 57 - octane,
58 - Nonan und58 - Nonane and
59 - Dekan.
Selbstverständlich können die zu den einzelnen Paraffinen gehörenden Diagrammpunkte durch Interpolation zu einer Dampfdruckkurve miteinander verbunden werden, wie dies für das Beispiel Propan durch die Kurve 60 gezeigt ist.59 - Dean. Of course, the graph points associated with the individual paraffins may be linked together by interpolation into a vapor pressure curve, as shown by curve 60 for the example propane.
Der Genauigkeitsvorteil und der Vorteil bezüglich der Langzeitstabilität gegenüber dem herkömmlichen Druckmessumformer SITRANS P soll an folgendem Zahlenbeispiel kurz erläutert werden. Betrachtet wird ein herkömmlicher Druckmessumformer SITRANS P mit einem Messbereich von 1 bar bis maximal 30 bar, einer Messunsicherheit, die 0,075% beträgt, das heißt maximal 22,5 mbar, und einer Langzeitstabilität von 0,25% über fünf Jahren, was einem Messfehler von maximal 75 mbar entspricht. Wird bei dem neuen Druckmessumformer zur Befüllung der Refe- renzdruckkammer nun Propan ausgewählt, so können aus derThe accuracy advantage and the advantage in terms of long-term stability compared to the conventional pressure transmitter SITRANS P will be briefly explained by the following numerical example. A conventional SITRANS P pressure transmitter with a measuring range of 1 bar to a maximum of 30 bar, a measurement uncertainty of 0.075%, ie a maximum of 22.5 mbar, and a long-term stability of 0.25% over five years, which is a measuring error of maximum 75 mbar. If propane is selected for the new pressure transmitter to fill the reference pressure chamber, then the
Dampfdruckkurve 60 gemäß Figur 5 Vergleichswerte abgeleitet werden. Die Unsicherheit der Dampfdruckkurve 60 beträgt 0,02% vom Absolutwert. Dies entspricht bei 20° C entsprechend der Dampfdruckkurve 60 einem Druck von 8364 mbar mit einer Abwei- chung von maximal +/- 1,7 mbar. Eine Temperaturmessung mit einem Fehler von maximal +/- 0,02 K bedeutet damit eine Unsicherheit des gemessenen Druckwertes von insgesamt +/- 5 mbar. Der Messfehler ist damit deutlich geringer als beim herkömmlichen Druckmessumformer. Es folgt daraus, dass bei entspre- chend präziser Temperaturmessung der Druck wesentlich genauer gemessen werden kann. Die Langzeitstabilität des neuen Druckmessumformers ist ebenfalls deutlich besser als beim herkömmlichen Druckmessumformer SITRANS P, da die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt und die Temperaturmessung langzeitstabil ausgelegt werden kann.Vapor pressure curve 60 are derived according to Figure 5 comparative values. The uncertainty of the vapor pressure curve 60 is 0.02% of the absolute value. This corresponds to a pressure of 8364 mbar at 20 ° C corresponding to the vapor pressure curve 60 with a maximum deviation of +/- 1.7 mbar. A temperature measurement with a maximum error of +/- 0.02 K thus means an uncertainty of the measured pressure value of a total of +/- 5 mbar. The measurement error is thus significantly lower than with the conventional pressure transmitter. It follows that the pressure can be measured much more accurately if the temperature measurement is accurate. The long-term stability of the new pressure transmitter is also significantly better than that of the conventional pressure transmitter SITRANS P, as the reference pressure chamber can be made diffusion-tight and the temperature measurement can be designed for a long-term stability.
Aufgrund des Messprinzips benötigt der Druckmessumformer keine Werkskalibrierung oder Rekalibrierung des Drucks, lediglich die Temperaturmessstelle muss im Werk kalibriert werden. Bei Verwendung eines langzeitstabilen Temperaturmesselements kann eine Rekalibrierung somit völlig entfallen. Die Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks ist gemäß Figur 2 im Speicher 21 der Auswerteeinrichtung 20 hinterlegt. Die mechanischen
Anforderungen an die Membran 2 des in Figur 1 dargestellten Drucksensors sind vergleichsweise gering und lassen sich daher mit preiswerten Bauelementen realisieren. Ebenso ist die Einstellung der Temperatur derart, dass das Lagesignal des Drucksensors einem vorgegebenen Wert entspricht, mit Standardbauteilen ohne größeren Aufwand realisierbar. Eine Temperaturmessstelle mit der erforderlichen Genauigkeit ist bereits in einem herkömmlichen DruckmessUmformer SITRANS P integriert, da die Temperatur auf der Membran des Drucksensors erfasst und ihr Einfluss auf den Messwert kompensiert wird. Im Zustand eines Temperaturausgleichs innerhalb des Sensors entspricht diese zwar der Medientemperatur, dennoch ist es von Vorteil, einen Temperatursensor direkt für die Medientemperatur vorzusehen.Due to the measurement principle, the pressure transmitter does not require a factory calibration or recalibration of the pressure, only the temperature measuring point has to be calibrated at the factory. When using a long-term stable temperature measuring element, a recalibration can thus be completely eliminated. The temperature dependence of the vapor pressure is stored in the memory 21 of the evaluation device 20 according to FIG. The mechanical Demands on the diaphragm 2 of the pressure sensor shown in Figure 1 are relatively low and can therefore be realized with inexpensive components. Likewise, the setting of the temperature is such that the position signal of the pressure sensor corresponds to a predetermined value, with standard components without much effort feasible. A temperature measuring point with the required accuracy is already integrated in a conventional SITRANS P pressure transmitter because the temperature on the diaphragm of the pressure sensor is recorded and its influence on the measured value compensated. In the condition of a temperature compensation within the sensor, this corresponds to the temperature of the medium, nevertheless it is advantageous to provide a temperature sensor directly for the medium temperature.
In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem neuen Druckmessumformer somit um ein Druckmessgerät mit einem Drucksensor, der aufgrund der Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Temperatur eine langzeitstabile Druckreferenz besitzt. Die Druckmessung lässt sich auf eine Temperaturmessung zurückführen und durch eine Regelung wird im Drucksensor ein Gegendruck aufgebaut, der dem Systemdruck entspricht. Somit ist ein Drucksensor erhältlich, bei welchem die Sensormembran bei der Messung nicht verformt wird und daher frei von mechani- sehen Spannungen ist. Die Verwendung einer Dampfdruckkurve als Druckreferenz hat dabei den Vorteil, dass sie eine fundamentale, langzeitstabile Stoffeigenschaft darstellt, die für viele technisch relevante Stoffe hochgenau referenziert und beispielsweise für Propan mit einer Unsicherheit von 0,02% bekannt ist. Damit ist keine Druckkalibrierung im Werk und auch keine Rekalibrierung im Feld mehr notwendig. Ein weiterer Vorteil ist, dass die mechanischen Anforderungen an den Drucksensor eher gering sind und somit ein Einsatz preiswerter Sensoren ermöglicht wird. Die Realisierung eines Druck- sensors mit einer Druckreferenz auf der Basis der Dampfdruckkurve eines Mediums in der Referenzdruckkammer ist zudem in vorteilhafter Weise bereits mit vergleichsweise geringen Ab-
Wandlungen des etablierten Druckmessumformers SITRANS P möglich.
Advantageously, the new pressure transmitter is thus a pressure gauge with a pressure sensor which has a long-term stable pressure reference due to the dependence of the vapor pressure on the temperature. The pressure measurement can be traced back to a temperature measurement and by a control pressure in the pressure sensor is built up a back pressure, which corresponds to the system pressure. Thus, a pressure sensor is available in which the sensor membrane is not deformed during the measurement and is therefore free from mechanical stresses. The use of a vapor pressure curve as a pressure reference has the advantage that it represents a fundamental, long-term stable material property that is highly accurately referenced for many technically relevant substances and known for example for propane with an uncertainty of 0.02%. This eliminates the need for pressure calibration at the factory and no recalibration in the field. Another advantage is that the mechanical requirements on the pressure sensor are rather low and thus the use of inexpensive sensors is made possible. The realization of a pressure sensor with a pressure reference on the basis of the vapor pressure curve of a medium in the reference pressure chamber is also advantageously already carried out with comparatively small deviations. Conversions of the established pressure transmitter SITRANS P possible.
Claims
1. Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Drucksensor (1) mit einer Membran (2), auf deren einen Seite der zu messende Druck (P) und auf deren andere Seite ein Referenzdruck geführt sind, mit zumindest einem Sensorelement (7) zur Erfassung einer Auslenkung der Membran (2) und zur Erzeugung eines die Auslenkung repräsentierenden Lagesignals (x) und mit einer Auswerteeinrichtung (20), auf welche das Lagesignal (x) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Referenzdrucks eine Referenzdruckkammer (4) mit einem Medium (5, 6) befüllt ist, dessen Druck eine vorbekannte Temperaturabhängigkeit besitzt, dass Mittel (10) zur Erfassung der Temperatur des Mediums (5, 6) und zur Erzeugung eines Temperatursignals (T) vorgesehen sind, das auf die Auswerteeinrichtung (20) geführt ist, dass Mittel (8) zur Einstellung der Temperatur des Mediums in Abhängigkeit eines von der Auswerteeinrichtung (20) gelieferten Temperaturstellsignals (u) vorgesehen sind, und dass die Auswerteeinrichtung (20) dazu ausgebildet ist, die Temperatur des Mediums durch geeignete Vorgabe des Temperaturstellsignals (u) derart einzustellen, dass das Lagesignal (x) einem vorgegebenen Wert entspricht, und dass die Auswerteeinrichtung (20) weiterhin dazu ausgebildet ist, den Wert des zu messenden Drucks (P) in Abhängigkeit der derart eingestellten Temperatur (T) des Mediums zu bestimmen.1. Pressure transmitter for process instrumentation with a pressure sensor (1) with a membrane (2), on whose one side of the pressure to be measured (P) and on the other side a reference pressure are guided, with at least one sensor element (7) for detecting a deflection the membrane (2) and for generating a deflection signal representing the position signal (x) and with an evaluation device (20) on which the position signal (x) is guided, characterized in that for generating the reference pressure, a reference pressure chamber (4) with a medium (5, 6) is filled, whose pressure has a known temperature dependence, that means (10) for detecting the temperature of the medium (5, 6) and for generating a temperature signal (T) are provided, which led to the evaluation device (20) in that means (8) are provided for adjusting the temperature of the medium as a function of a temperature control signal (u) supplied by the evaluation device (20), and in that the evaluation device (20) is designed to set the temperature of the medium by suitable specification of the temperature control signal (u) such that the position signal (x) corresponds to a predetermined value, and in that the evaluation device (20) is further adapted to the value of to be measured pressure (P) as a function of the thus set temperature (T) of the medium.
2. Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorelement (7) zur Erfassung der Auslenkung der Membran (2) eine piezoresistive Vollbrückenschaltung vorhanden ist, deren Brückenspannung dem Lagesignal (x) entspricht und dass der Wert (0) Null der Brückenspannung der vorgegebene Wert des Lagesignals (x) ist.2. Pressure transmitter according to claim 1, characterized in that as a sensor element (7) for detecting the deflection of the membrane (2) a piezoresistive full bridge circuit is present, the bridge voltage corresponds to the position signal (x) and that the value (0) zero of the bridge voltage of predetermined value of the position signal (x) is.
3. Druckmessumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (2) beim vorgegebenen Wert des Lagesignals (x) im Wesentlichen im Zustand eines Druckgleichgewichts zwischen den beiden Membranseiten befindet. 3. Pressure transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the membrane (2) at the predetermined value of the position signal (x) is substantially in the state of a pressure equilibrium between the two sides of the membrane.
4. Druckmessumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (5, 6) in der Referenzdruckkammer (4) bei Betriebstemperatur zum Teil (5) in gasförmigem und zum Teil (6) in flüssigem Aggregatzustand vorhanden ist.4. Pressure transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the medium (5, 6) in the reference pressure chamber (4) at operating temperature to part (5) in gaseous and partly (6) is present in the liquid state.
5. Verfahren zur Druckmessung mit einem Druckmessumformer (24) zur Prozessinstrumentierung, mit einem Drucksensor (1) mit einer Membran (2), auf deren eine Seite der zu messende Druck (P) und auf deren andere Seite ein Referenzdruck geführt sind, mit zumindest einem Sensorelement (7) zur Erfassung einer Auslenkung der Membran (2) und zur Erzeugung eines die Auslenkung repräsentierenden Lagesignals (x) , mit einer Auswerteeinrichtung (20), auf welche das Lagesignal (x) ge- führt ist, mit einer Referenzdruckkammer (4), die zur Erzeugung des Referenzdrucks mit einem Medium (5, 6) befüllt ist, dessen Druck eine vorbekannte Temperaturabhängigkeit besitzt, mit Mitteln (10) zur Erfassung der Temperatur des Mediums (5, 6) und zur Erzeugung eines Temperatursignals (T), das auf die Auswerteeinrichtung (20) geführt ist, und mit Mitteln (8) zur Einstellung der Temperatur des Mediums (5, 6) in Abhängigkeit eines von der Auswerteeinrichtung (20) gelieferten Temperaturstellsignals (u) , mit den Schritten:5. A method for pressure measurement with a pressure transducer (24) for process instrumentation, with a pressure sensor (1) with a membrane (2), on one side of the pressure to be measured (P) and on the other side a reference pressure are performed, with at least a sensor element (7) for detecting a deflection of the membrane (2) and for generating a position signal (x) representing the deflection, with an evaluation device (20) to which the position signal (x) is guided, with a reference pressure chamber (4 ), which is filled to generate the reference pressure with a medium (5, 6) whose pressure has a known temperature dependence, with means (10) for detecting the temperature of the medium (5, 6) and for generating a temperature signal (T), which is guided to the evaluation device (20), and with means (8) for adjusting the temperature of the medium (5, 6) in dependence of a temperature control signal (u) supplied by the evaluation device (20), with de n steps:
- Vorgeben des Temperaturstellsignals (u) durch die Auswerte- einrichtung (20) zur Einstellung der Temperatur des Mediums- Specifying the temperature control signal (u) by the evaluation device (20) for adjusting the temperature of the medium
(5, 6) derart, dass das Lagesignal (x) einem vorgegebenen Wert entspricht, und(5, 6) such that the position signal (x) corresponds to a predetermined value, and
- Bestimmen und Ausgeben des Werts des zu messenden Drucks- Determining and outputting the value of the pressure to be measured
(P) in Abhängigkeit der derart eingestellten Temperatur (T) des Mediums. (P) as a function of the thus set temperature (T) of the medium.
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