SCHORB, Herbert (Lebrechtstr. 4, Karlsruhe, 76199, DE)
VON DOSKY, Stefan (Grossschneidersweg 2, Karlsruhe, 76149, DE)
GRASSEL, Friedrich (Stefanstr. 64, Waghäusel, 68753, DE)
SCHORB, Herbert (Lebrechtstr. 4, Karlsruhe, 76199, DE)
VON DOSKY, Stefan (Grossschneidersweg 2, Karlsruhe, 76149, DE)
| Patentansprüche 1. Kalibriervorrichtung für einen Differenzdruckmessumformer (30) , der einen Drucksensor (36) zur Erzeugung eines Messsig- nals (U) , das dem zu messenden Differenzdruck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums entspricht, und eine Auswerteeinrichtung (37) zur Ermittelung und Ausgabe eines Messwerts in Abhängigkeit des Messsignals (U) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilanordnung (31) vorhanden ist, durch welche der zu messende Differenzdruck zur Durchführung einer Kalibrierung vom Drucksensor (36) trennbar ist und durch welche dem Drucksensor (36) ein erster vorbekannter Kalibrierdruck und ein zweiter vorbekannter Kalibrierdruck zuführbar sind, wobei der erste Kalibrierdruck dem vorbekannten Dampf- druck eines ersten Mediums in einer ersten Kalibrierdruckkammer (48) und der zweite Kalibrierdruck dem vorbekannten Dampfdrucks eines zweiten Mediums in einer zweiten Kalibrierdruckkammer (49) entspricht. 2. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Ventilanordnung (31) dem Drucksensor (36) der Differenzdruck „Null" zuführbar ist. 3. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (32) zur Ansteuerung der Ventilanordnung (31) vorgesehen ist, welche zur Synchronisierung mit der Auswerteeinrichtung (37) verbunden ist. 4. Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Dampfdruck anhand der vorbekannten Dampfdruckkurve und der gemessenen Temperatur des jeweiligen, in der ersten Kalibrierdruckkammer (48) und in der zweiten Kalibrierdruckkammer (49) befindlichen Mediums ermittelt und damit vorbekannt ist. 5. Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium und das zweite Medium Flüssiggase derselben Art sind, die sich lediglich bezüglich zugesetzter Komponenten unterscheiden. 6. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass das erste Medium reines Propan und das zweite Medium Propan ist, welchem ein 0,5% Anteil Butan beigefügt ist. 7. Differenzdruckmessumformer mit einer Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in den Diffe- renzdruckmessumformer (30) integriert ist. 8. Differenzdruckmessumformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (31) in einen Prozess- anschluss des Messumformers (30) integriert ist. |
Kalibriervorrichtung für einen Differenzdruckmessumformer Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung für einen Differenzdruckmessumformer, der einen Drucksensor zur Erzeugung eines Messsignals, das dem zu messenden Differenzdruck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums entspricht, und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittelung und Ausgabe eines Mess- werts in Abhängigkeit des Messsignals aufweist, gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Differenzdruckmessum- former mit einer derartigen Kalibriervorrichtung.
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 Differenzdruckmessumformer 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 fehler- behaftete Messwerte liefern.
Aus dem Siemens-Katalog „ST FI 01-2008", Kapitel 1 ist ein Druckmessumformer SITRANS P zur Prozessinstrumentierung bekannt, der zur Messung von Relativ-, Differenz- und Absolut- druck geeignet ist. Der Messumformer SITRANS P weist auf einer Membran angeordnete Sensorelemente 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.
Um genaue Messergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, derartige Messumformer im Rahmen einer Werkseinstellung zu kalibrieren. Dabei wird der ermittelte Differenzdruckwert mit einem Referenzwert verglichen, wozu das den Differenzdruck repräsentierende Messsignal ausgewertet wird. Dieses Messsignal erzeugen üblicherweise materialspannungsabhängige, piezo- resistive Widerstände, die in einer Wheatstone-Brücke miteinander verschaltet sind. Nachteilig ist, dass die Messergebnisse über längere Zeiträume aufgrund von Alterungseffekten der piezoresistiven Widerstände und der Membran oder aufgrund von Ausgasungen eines Füllöls in einer Messkammer, welches zur Übertragung des zu messenden Prozessdrucks zu der Membran vorgesehen ist, eine Drift erfahren und nach gewisser Zeit den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügen, so dass Rekalibrierungsmaßnahmen erforderlich werden. Häufige Praxis ist es, zur Rekalibrierung vor Ort nur den
Nullpunkt, das heißt bei einem Differenzdruckmessumformer den Differenzdruckwert „Null", neu einzustellen. Dies ist beispielsweise möglich, indem beide Sensorseiten druckmäßig kurzgeschlossen werden. Soll zusätzlich die Spanne, das heißt die Steigung der Sensorkennlinie, rekalibriert werden, so muss ein genau bekannter Differenzdruck an beide Sensorseiten angelegt werden. Derartige Maßnahmen vor Ort durch einen Servicetechniker durchzuführen, ist bereits mit einem hohen Aufwand verbunden.
Vergleichweise aufwendig ist es ebenfalls, zur Rekalibrierung Differenzdruckmessumformer aus der Anlage auszubauen und in ein spezielles Prüflabor zu bringen. Ein derartiger Aufwand ist in der Regel nur bei einem Stillstand der Anlage vertret- bar. Bei einer Rekalibrierung mittels eines speziellen Kalibriergeräts im Labor werden beispielsweise durch eine Handspindel nacheinander verschiedene Prüfdrücke erzeugt, die jeweils gleichzeitig auf den zu kalibrierenden Druckmessumfor- mer und ein Referenzgerät gegeben werden. Der Messumformer kann dabei punktuell genau auf die Messwerte des Referenzgeräts abgeglichen werden. Alternativ dazu können Drucknormalgeräte angewandt werden, mit welchen vorgegebene Differenzdruckwerte gewichtskraftba- siert mit hoher Präzision erzeugbar sind. Aufgrund ihrer Komplexität und Empfindlichkeit sind diese Geräte jedoch nicht in einer automatisierungstechnischen Anlage vor Ort einsetz- bar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibriervorrichtung für einen Differenzdruckmessumformer zu schaffen, durch welche eine Kalibrierung vor Ort mit hochgenauen Kalib- rierdruckquellen ermöglicht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die neue Kalibriervorrichtung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
Da die Erfindung gleichermaßen bei Relativ- und Differenz- druckmessumformern anwendbar ist, wird im Folgenden zwischen Relativ- und Differenzdruckmessumformern nicht mehr unterschieden und beide werden einheitlich als Differenzdruckmessumformer bezeichnet. Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln hochgenaue Kalibrierdruckquellen bereitgestellt werden, die vor Ort einsetzbar sind und dass durch die Ventilanordnung zudem eine Rekalibrierung im eingebauten Zustand des Differenzdruckmessumformers ermöglicht wird. Je nach Ausführungsform der Kalibriervorrichtung kann zur Rekalibrierung der Kennlinie eines Drucksensors ein hochgenauer Differenzdruckwert oder es können nacheinander der hochgenaue Differenzdruckwert und der Wert „Null" auf den Sensor geführt werden. Durch Auswahl der in den Kalibrierdruckkairtmern befindlichen Medien ist es zudem möglich, die Kalibriervorrichtung für verschiedene Bereiche von Differenzdruckwerten in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur auszulegen. In vorteil- hafter Weise kann bei der neuen Kalibriervorrichtung darauf verzichtet werden, den Kalibrierdruck über einen Vergleichsensor einzustellen, dessen Wirkprinzip auf mechanischen Eigenschaften, beispielsweise der Elastizität eines Festkörpers, beruht, welche als nicht langzeitstabil angesehen wer- den müssen. Damit zeichnet sich die Kalibriervorrichtung durch eine verbesserte Langzeitstabilität aus.
Die vorteilhaft im eingebauten Zustand durchführbare Kalibrierung wird insbesondere durch eine Ventilanordnung ermög- licht, welche den Drucksensor des zu kalibrierenden Druckmessumformers durch geeignete, manuell oder automatisch stellbare Ventile für die Zeitdauer des Kalibrierens vom Prozessdruck abkoppelt und mit den Kalibrierdrücken verbindet. Teile der Kalibriervorrichtung, beispielsweise die Kalibrier- druckkammern, in welchen sich die Medien mit dem vorbekannten Dampfdruck befinden, können für einen portablen Einsatz in prozesstechnischen Anlagen ausgelegt werden, so dass sie zur Rekalibrierung eines Messumformers bedarfsweise an eine vor Ort befindliche Ventilanordnung anschließbar sind, ohne den Differenzdruckmessumformer dazu ausbauen zu müssen. Alternativ dazu ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Kalibriervorrichtung vollständig stationär auszubilden und dauerhaft an einem einzelnen Druckmessumformer anzubringen. Bei geeignet miniaturisierter Ausführung ist eine vollständige Integration der Kalibriervorrichtung in das Druckmessumformergehäuse möglich. Der Einsatz einer vollständig stationär ausgebildeten Kalibriervorrichtung hat den Vorteil, dass der Drucksensor selbst nicht mehr besonders langzeitstabil aufgebaut zu sein braucht, da sich eine Kalibrierung oder Neuka- librierung des Drucksensors automatisch zyklisch oder zu vorgebbaren Zeiten bewerkstelligen lässt. Es können daher preisgünstigere Drucksensoren zum Einsatz kommen, ohne signifikante Nachteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität des Differenzdruckmessumformers hinnehmen zu müssen.
In vorteilhafter Weise ist die Kalibriervorrichtung ebenso zur Durchführung einer Werkskalibrierung geeignet, die bei der Herstellung von Differenzdruckmessumformern üblicherweise nach dem Fertigungsprozess erfolgt. Dazu wird der Differenzdruckmessumformer in ein Kalibriergerät eingebaut und es entfällt lediglich der Schritt der Trennung des Drucksensors vom zu messenden Prozessdruck, der selbstverständlich nur bei
Einbau des Druckmessumformers in einer prozesstechnischen Anlage erforderlich ist.
Zur Bereitstellung der Kalibrierdrücke wird in vorteilhafter Weise der hochgenaue und reproduzierbare Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Dampfdruck einer Flüssigkeit genutzt, die im selben Behältnis, der Kalibrierdruckkammer, in zwei Phasen, nämlich der flüssigen und der gasförmigen Phase, vorliegt. Ein Teil des Mediums in der Kalibrierdruckkammer befindet sich also im gasförmigen Aggregatzustand, während ein anderer Teil des Mediums im flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Somit ist über einen physikalisch fundamentalen, stoffabhängigen und konstanten Zusammenhang, nämlich über die Dampfdruckkurve des Mediums, der Wert des Kalibrierdrucks vorbekannt.
In Figur 1 sind Werte des Sättigungsdampfdrucks für verschiedene Alkane in einem Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse ist die Temperatur T in 0 C, auf der Ordinate der Druck P in MPa dargestellt. Werte desselben Paraffins sind mit denselben Symbolen eingezeichnet. Dabei gilt die folgende Zuordnung von mit Bezugszeichen versehenen Symbolen:
50 - Methan,
51 - Ethan,
52 - Propan,
53 - Butan,
54 - Pentan, 55 - Hexan,
56 - Heptan,
57 - Oktan,
58 - Nonan und
59 - Dekan.
Selbstverständlich können die zu den einzelnen Paraffinen gehörenden Diagraitunpunkte durch Interpolation zu einer Dampfdruckkurve miteinander verbunden werden, wie dies für das Beispiel Propan durch die Kurve 60 gezeigt ist.
Zum Beispiel kann mit Pentan im Temperaturbereich von 20 0 C bis 200 0 C ein Druckbereich von ca. 1 bar bis ca. 30 bar als Kalibrierdruck abgedeckt werden.
Andere Flüssigkeiten, zum Beispiel die herkömmlich als Kältemittel verwendeten halogenierten Kohlenwasserstoffe, haben aufgrund des Verlaufs ihrer Dampfdruckkurve ebenfalls positive Eigenschaften bei Verwendung in einer Kalibriervorrich- tung.
Auch Wasser besitzt eine für Druckkalibrierungen nutzbare Dampfdruckkurve. Mit Wasser als Medium in der Kalibrierdruckkammer lässt sich in einem Temperaturbereich von 100 0 C bis 300 0 C ein Kalibrierdruckbereich von 1 bar bis ca. 90 bar abdecken.
Die Langzeitstabilität der Kalibriervorrichtung ist ebenfalls deutlich besser als die des Druckmessumformers SITRANS P, da die Kalibrierdruckkammer diffusionsarm ausgeführt und die Temperaturmessung langzeitstabil ausgelegt werden kann.
Wenn die Ventilanordnung derart ausgestaltet ist, dass dem Drucksensor der Differenzdruck „Null" zugeführt wird, erlaubt dies eine Nullpunktkorrektur der Kennlinie. Durch die Zuführung einer Druckdifferenz mit Hilfe zweier Kalibrierdrücke auf den Drucksensor kann zusätzlich eine Rekalibrierung der Messspanne des Differenzdruckmessumformers durchgeführt wer- den. Da die Kennlinie von Differenzdruckmessumformern häufig werksmäßig linearisiert wird, kann mit diesen Maßnahmen der Messumformer bereits vollständig rekalibriert werden. Der Differenzdruck „Null" ist in besonders einfacher Weise dem Drucksensor zuführbar, indem der zu messende Differenzdruck des Prozesses vom Drucksensor abgetrennt und beide Seiten des Drucksensors belüftet werden. Damit liegt an beiden Seiten des Drucksensors derselbe Umgebungsdruck an. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine
Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Ventilanordnung vorgesehen, welche zur Synchronisierung mit der Auswerteeinrichtung des Messumformers verbunden ist. Durch die Steuereinrichtung wird eine automatische Durchführung der Kalibrierung ermöglicht, so dass keine Vorortinspektion oder Rekalibrie- rung durch einen Servicetechniker mehr erforderlich ist.
Wenn zur Befüllung der beiden Kalibrierdruckkammern Flüssiggase derselben Art genommen werden, die sich lediglich bezüg- lieh zugesetzter Komponenten unterscheiden, hat dies den Vorteil, dass sich die Dampfdruckkurven der Medien sehr ähnlich sind und sich somit ein vergleichsweise kleiner Differenzdruck hochgenau zur Durchführung eines Kalibriervorgangs erzeugen lässt.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung zweier Flüssiggase erwiesen, bei welcher in der ersten Kalibrierdruckkammer reines Propan und in der zweiten Kalibrierdruckkammer Propan mit einem 0,5% Anteil Butan eingefüllt ist. Die sich dabei einstellenden Kalibrierdrücke sind in dem Diagramm gemäß Figur 2 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Temperatur T in 0 C, auf der linken Ordinate der Sättigungsdampfdruck P von reinem Propan in bar und auf der rechten Ordinate die Druckdifferenz dP der beiden Medien in mbar aufgetragen. Kur- ven 20 und 21 zeigen den Verlauf des Dampfdrucks P bzw. des Differenzdrucks dP über der Temperatur T. Der dargestellte Temperaturbereich ist so gewählt, dass er den Einsatztemperaturbereich üblicher Druckmessumformer von -40 bis +85 0 C ab- deckt. Es ist ersichtlich, dass ein Messbereich eines Diffe- renzdruckmessumformers von beispielsweise 0 mbar bis + 250 mbar durch den Bereich sich einstellender Differenzdruckwerte bei dieser Medienwahl im Einsatztemperaturbereich ebenfalls weitgehend abgedeckt werden kann. Die Dampfdruckwerte der beiden Flüssiggase liegen bei -40 0 C Umgebungstemperatur noch über dem Umgebungsdruck von 1 bar. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Aufschalten der Kalibrierdruckkammern auf die Sensorseiten zunächst etwas Flüssiggas aus einer Vorrats- kammer herausfließt und dass das bevorratete Gas nicht durch " einströmende Umgebungsluft verunreinigt wird. Bei einer Umgebungstemperatur von 85 0 C steigen die Dampfdruckwerte beider Flüssiggase auf etwa 32 bar. Der Differenzdruck beträgt bei -40 0 C 29,1 mbar und bei 85 0 C 241,2 mbar. Diese Werte sind präzise gesichert, beispielsweise durch die Datenbank
„Refprop" des National Institute of Standards and Technology.
Zur Minimierung der zum Betrieb der Kalibriervorrichtung erforderlichen elektrischen Energie kann die Vorrichtung minia- turisiert und beispielsweise in Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Bei geeigneter Miniaturisierung ist eine Integration der Kalibriervorrichtung in den Prozessanschluss eines Differenzdruckmessumformers möglich, ohne dass dessen Bauform dafür wesentlich vergrößert werden müsste.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur des Mediums in der Ventilanordnung gemessen und der Differenzdruck wird anhand der vorbekannten
Dampfdruckkurven der Medien und der gemessenen Temperatur er- mittelt. Da die jeweilige Temperatur erfasst wird, kann sie in einem gewissen Bereich veränderlich sein und muss nicht einen fest vorgegebenen Wert beibehalten. Eine derartige Kalibrierdruckquelle kann daher mit einem geringeren Aufwand realisiert werden. Zur Temperaturmessung sind Schaltungen mit geringer Messunsicherheit verfügbar, die beispielsweise in der Lage sind, Temperaturmessungen mit einer Unsicherheit von 0,01 K und kleiner durchzuführen. Würde eine Einrichtung zur Heizung oder Kühlung des in der Kalibrierdruckkammer befind- liehen Mediums vorgesehen, so ließe sich durch Einstellen der Temperatur des Mediums gezielt ein gewünschter Wert des Kalibrierdrucks anfahren, der durch die Dampfdruckkurve der jeweiligen Temperatur zugeordnet ist. Auf diese Einrichtung wird jedoch zur Minimierung des Energieverbrauchs verzichtet.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 Dampfdruckkurven für verschiedene Alkane, Figur 2 eine Dampfdruckkurve von Propan und eine Differenzdruckkurve von Propan zu einem Propan-Butan- Gemisch,
Figur 3 eine Prinzipdarstellung eines Differenzdruck- Messumformers mit Kalibriervorrichtung und
Figur 4 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Kalibrierung. In Figur 1 sind, wie schon oben näher erläutert, verschiedene Dampfdruckkurven von Alkanen, die beispielsweise als Medien in Reinform oder als wesentlicher Gemischbestandteil zur Befüllung einer Kalibrierdruckkammer geeignet sind, dargestellt.
Figur 2 zeigt, wie ebenfalls bereits oben ausgeführt, die Dampfdruckkurve von Propan und die Differenzdruckkurve für eine besonders geeignete Befüllung der beiden Kalibrierdruckkammern.
In Figur 3 ist der prinzipielle Aufbau eines Differenzdruck- messumformers 30, der eine Kalibriervorrichtung aufweist, dargestellt. Dabei können eine Ventilanordnung 31 und eine Steuereinrichtung 32 strukturell der Kalibriervorrichtung zugeordnet werden, die ihrerseits als Bestandteil des Messumformers 30 angesehen wird. Der Messumformer 30 dient zur Durchflussmessung und ist dazu an einer Rohrleitung 33 ange- ordnet, die zur Erzeugung eines Differenzdrucks, der von der Strömungsgeschwindigkeit eines die Rohrleitung 33 durchströmenden Mediums abhängt, mit einer Blende 34 versehen ist.
Über einen Anschlussflansch 35 und die Ventilanordnung 31 wird der zu messende Differenzdruck in der Betriebart „Diffe- renzdruck messen" einem Drucksensor 36 zugeführt, der ein Messsignal U erzeugt, das dem zu messenden Differenzdruck entspricht. Eine Auswerteeinrichtung 37 ermittelt anhand des Messsignals U einen Messwert für den Differenzdruck und daraus schließlich einen Messwert für die Strömungsgeschwindig- keit. Zumindest einer dieser Messwerte wird über einen FeId- busanschluss 38 des Messumformers 30 auf einen Feldbus 39 ausgegeben, an welchem beispielsweise ebenfalls eine Leitstation zur weiteren Verarbeitung des Messwerts angeschlossen ist. Neben der Messwertübertragung findet über den Feldbus 39 auch in bekannter Weise eine Übertragung von Diagnose- und Parametrierdaten statt. Der Messumformer 30 kann, wie bei Feldgeräten üblich, optional mit einer Anzeige und einer Tastatur als Benutzerschnittstelle ausgestattet sein, die in Figur 3 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind.
Die Ventilanordnung 31 kann vorteilhafterweise in den Pro- zessanschluss des Differenzdruckmessumformers 30 integriert werden. In die beiden Leitungen 40 und 41, welche zur Zuführung des Differenzdrucks zum Drucksensor 36 dienen, sind ein erstes Absperrventil 42 und ein zweites Absperrventil 43 geschaltet. Auf der dem Prozess abgewandten Seite der Absperrventile 42 und 43 sind ein erstes Kalibrierventil 44, ein zweites Kalibrierventil 45, ein erstes Belüftungsventil 46 und ein zweites Belüftungsventil 47 an jeweils eine der Lei- tungen 40 oder 41 angeschlossen. Über das erste Kalibrierventil 44 kann der Leitung 40 ein erster Kalibrierdruck, welcher dem Dampfruck eines ersten Mediums in einer ersten Kalibrierdruckkammer 48 entspricht, über das zweite Kalibrierventil 45 kann der Leitung 41 ein zweiter Kalibrierdruck, der aufgrund der Dampfdruckkurve eines zweiten Mediums, das sich in einer zweiten Kalibrierdruckkammer 49 befindet, vorbekannt ist, zugeführt werden. Als erstes Medium dient Propan, als zweites Medium Propan, welchem ein 0,5% Anteil Butan zugesetzt ist. Eventuelle weitere Ventile, zum Beispiel zum Wechsel der Medien in den Kalibrierdruckkammern 48 und 49, sind der Übersichtlichkeit wegen in der Figur 3 nicht dargestellt. Zur Minimierung des Energieverbrauchs kann die gezeigte Ventilan- Ordnung 31 in miniaturisierter Form, insbesondere in Mikro- systemtechnik, hergestellt werden. Damit ist sie ohne Weiteres in den Prozessanschluss oder alternativ in den Befestigungsflansch eines Differenzdruckmessumformers integrierbar. Alternativ dazu können die Ventilanordnung 31 und die Steuer- einrichtung 32 als zusätzliche Baugruppen im Gehäuse des Dif- ferenzdruckmessumformers 30 angeordnet werden.
Die Medien in den beiden Kalibrierdruckkammern 48 und 49 liegen sowohl in gasförmiger als auch in flüssiger Phase vor. Das heißt, im oberen Teil der jeweiligen Kalibrierdruckkammer befindet sich ein Teil des Mediums im gasförmigen Aggregatzustand, im unteren Teil dagegen im flüssigen Aggregatzustand. Mit Hilfe eines Temperatursensors T wird die Temperatur der Ventilanordnung 31 erfasst und an die Steuereinrichtung 32 übermittelt. In einem internen Speicher der Steuereinrichtung 32 ist die Differenzdruckkurve, das heißt die Kennlinie der Abhängigkeit des Differenzdrucks zwischen den in den Kalibrierdruckkammern 48 und 49 herrschenden Kalibrierdrücken von der gemessenen Temperatur T, hinterlegt. Ein Beispiel einer derartigen Differenzdruckkurve wurde zuvor anhand Figur 2 erläutert. Mit Kenntnis der Differenzdruckkurve und der gemessenen Temperatur T ist auch der Differenzdruck, der zur Kalibrierung dem Drucksensor 36 mit Hilfe der Kalibrierventile 44 und 45 aufgeschaltet werden kann, vorbekannt.
Völlig gleichwirkend zur Abspeicherung der Differenzdruckkurve ist es selbstverständlich möglich, sowohl die Dampfdruckkurve des ersten Mediums in der ersten Kalibrierdruckkammer 48 als auch die Dampfdruckkurve des zweiten Mediums in der zweiten Kalibrierdruckkammer 49 in der Steuereinrichtung 32 abzuspeichern und anhand der somit vorbekannten Kalibrierdrücke in der Steuereinrichtung 32 oder der Auswerteeinrichtung 37 die jeweils zur Kalibrierung an den Drucksensor 36 angelegte Druckdifferenz zu berechnen.
In einer in Figur 3 nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform der Ventilanordnung 31 sind zwei weitere Kalibrier- ventile vorgesehen, durch welche der Kalibrierdruck auf die jeweils andere Leitung 41 bzw. 40 aufgeschaltet werden kann. Diese Ausführung erlaubt es, die Polarität des zur Kalibrierung aufgeschalteten Differenzdrucks umzukehren und die Kennlinie des Drucksensors 36 in einem zusätzlichen Punkt zu re- kalibrieren.
Die in der Ventilanordnung 31 eingesetzten Ventile 42...47 sind elektrisch betätigte Absperrventile mit langsamen Öff- nungs- und Schließgeschwindigkeiten, um Druckstöße auf den Leitungen 40 und 41 zu vermeiden, die den Drucksensor 36 eventuell beschädigen könnten. Eine konstruktive, integrierte Ausführungsform der Ventilanordnung 31 kann ähnlich einem Hydraulikaggregat, wie es aus dem technischen Gebiet der Kraftfahrzeugantiblockiersysteme bekannt ist, ausgeführt sein.
Bei längeren Intervallen zwischen den Kalibriervorgängen kann die zur Betätigung der Ventile 42...47 notwendige elektrische Energie durch einen nicht dargestellten Energiespeicher in der Ventilanordnung 31 oder der Steuereinrichtung 32 zwischengespeichert werden. Dadurch kann ein Differenzdruckmess- umformer 30 mit Kalibriervorrichtung auf demselben Weg mit der zu seinem Betrieb erforderlichen Hilfsenergie versorgt werden wie ein herkömmlicher Differenzdruckmessumformer, in welchen keine Kalibriervorrichtung integriert ist.
Zur automatischen Durchführung einer Kalibrierung werden die Abläufe in der Steuereinrichtung 32 mit denen in der Auswerteeinrichtung 37 synchronisiert. Die Auswerteeinrichtung 37 weiß daher immer, ob gerade der zu messende Differenzdruck; des Prozesses, der vorbekannte Differenzdruck zur Kalibrierung oder ebenfalls zur Kalibrierung der Differenzdruck „Null" am Drucksensor 36 anliegt. In der Betriebsart „Diffe- renzdruck messen" sind lediglich die beiden Absperrventile 42 und 43, wie in Figur 3 dargestellt, durchgeschaltet. Zu Beginn eines Kalibriervorgangs werden diese geschlossen und statt dessen in der Betriebsart „Kalibrieren" die beiden Belüftungsventile 46 und 47 durchgeschaltet, so dass der Druck- sensor 36 über die Umgebungsluft kurzgeschlossen ist. In dieser Ventilstellung wird, wie später anhand Figur 4 noch näher erläutert wird, mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 37 eine Rekalibrierung des Nullpunkts vorgenommen. Danach werden die Belüftungsventile 46 und 47 wieder geschlossen und die Kalib- rierventile 44 und 45 durchgeschaltet, so dass auf die eine
Seite des Drucksensors 36 der erste Kalibrierdruck der ersten Kalibrierdruckkammer 48 und auf die zweite Seite des Drucksensors 36 der zweite Kalibrierdruck der zweiten Kalibrierdruckkammer 49 geführt sind. Da in den Kalibrierdruckkammern 48 und 49 unmittelbar nach dem Durchschalten der Kalibrierventile 44 und 45 eine geringe Menge des jeweiligen Mediums verdampft, findet eine leichte Abkühlung statt. Um Fehler beim Kalibrieren auszuschließen, kann mit Hilfe des Temperatursensors T der Temperaturgradient erfasst und abgewartet werden, bis sich erneut ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat. Da beide Kalibrierdrücke vorbekannt sind, ist der am Drucksensor 36 anliegende Differenzdruck ebenfalls vorbekannt und die Spanne kann nun rekalibriert werden. Anschließend werden die Kalibrierventile 44 und 45 wieder geschlossen und kurzzeitig die Belüftungsventile 46 und 47 durchgeschaltet, damit überschüssige Teile der Medien, die sich in den Leitungen 40 bzw. 41 befinden, in die Umgebung entweichen können. Nach Schließen der Belüftungsventile 46 und 47 werden die Absperrventile 42 und 43 wieder geöffnet und der Differenzdruckmessumformer 30 kehrt in die Betriebsart „Differenzdruck messen" mit neuen Kalibrierdaten zurück. Selbstverständlich sind Abwandlungen des geschilderten Kalibriervorgangs, insbesondere bezüglich der Reihenfolge der Ven- tilschaltzustände, denkbar. Der durch die Kalibriervorrichtung durchgeführte Kalibrierablauf kann durch den Betreiber einer Anlage, in welcher der Differenzdruckmessumformer eingebaut ist, weitgehend vorgegeben werden. Eine Rekalibrierung kann über den Feldbus angestoßen oder zyklisch erfolgen. Eventuelle Fehler bei der Ka- librierung können durch Plausibilitätsbedingungen geprüft und als Meldung über den Feldbus weitergeleitet werden. Dadurch ist ein Vorortservice durch einen Techniker nicht mehr notwendig. Neben der Durchführung einer Kalibrierung kann die Ventilanordnung 41 zusätzlich zur Diagnose des Differenzdruckmessum- formers 30 dienen. Beispielsweise können Schädigungen der Prozesstrennmembran erkannt werden. Weiterhin ist vorteilhaft, ein eventuelles Verpfropfen der
Ventilanordnung 31 zu überwachen. Dazu können in Abhängigkeit der jeweiligen Ventilstellungen und des Differenzdruckmess- wertes vorgegebene Plausibilitätsbedingungen auf Erfüllung überwacht werden.
Der jeweils am Drucksensor 36 während der Kalibrierung anstehende, vorbekannte Differenzdruckwert wird durch die Steuereinrichtung 32 der Auswerteeinrichtung 37 des Differenzdruck- messumformers 30 mitgeteilt. In der Auswerteeinrichtung 37 wird dieser mit dem anhand früherer Kalibrierdaten berechneten Messwert des Differenzdrucks verglichen und gegebenenfalls eine Neuberechnung der Kalibrierdaten des Differenz- druckmessumformers 30 durchgeführt. Dadurch werden Einflüsse von Alterungseffekten des Drucksensors 36 auf das Messergeb- nis kompensiert und die Messgenauigkeit des Differenzdruck- messumformers 30 wieder hergestellt. Anhand Figur 4 wird beispielhaft die Vorgehensweise bei einer Neukalibrierung eines Differenzdruckmessumformers mit zwei Kalibrierdifferenzdrücken erläutert. Auf der Abszisse eines Kennliniendiagramms ist ein Messsignal U, auf der Ordinate ein gemessener Differenzdruck P aufgetragen. Der Wertebereich des Differenzdruckmessumformers reicht von einem Anfangswert PO bis zu einem Endwert Pl. Ein erster Kalibrierdifferenzdruck PSl, nämlich der Differenzdruck „Null", und ein zweiter Kalibrierdifferenzdruck PS2 werden nacheinander auf den
Drucksensor geschaltet. Im Diagramm sind drei Kennlinien K, K' und K' ' eingezeichnet, deren Abstand und Steigungsabweichung zur besseren Veranschaulichung stark überzeichnet sind. Vor einer Neukalibrierung wird die Kennlinie K' in der Auswerteeinrichtung zur Ermittelung eines Differenzdruckmess- werts P anhand des Messsignals U herangezogen. Bei Anlegen des Kalibrierdifferenzdrucks PSl wird der dabei von dem
Drucksensor abgegebene Wert USl des Messsignals U als neues Kalibrierdatum abgelegt und die Kennlinie K' derart parallel verschoben, dass der Punkt (USl, PSl) auf der neuen Kennlinie zu liegen kommt. Auf diese Weise wird die Kennlinie K'' gewonnen. Bei Verwendung lediglich eines Kalibrierdifferenzdrucks wäre die Neukalibrierung damit bereits abgeschlossen. Bei Anlegen des Kalibrierdifferenzdrucks PS2 liegt der dabei erfasste Wert US2 des Messsignals als weiteres Kalibrierdatum vor, das eine weitere Verbesserung der Kalibriergenauigkeit ermöglicht. Nun wird in der Neukalibrierung die Kennlinie K'' um den Punkt (USl, PSl) gedreht und auf diese Weise in die Kennlinie K überführt, die sowohl den Punkt (USl, PSl) als auch den Punkt (US2, PS2) einschließt.
In Figur 4 sind beispielhaft lineare Kennlinien K, K' und K' ' eingezeichnet. Die beschriebene Art der Neukalibrierung kann selbstverständlich auch bei leicht nichtlinearen Kennlinien angewendet werden.
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