VON DOSKY, Stefan (Grossschneidersweg 2, Karlsruhe, 76149, DE)
SCHORB, Herbert (Lebrechtstrasse 4, Karlsruhe, 76199, DE)
VON DOSKY, Stefan (Grossschneidersweg 2, Karlsruhe, 76149, DE)
| Patentansprüche 1. Kalibriervorrichtung für einen Druckmessumformer (1, 31), der einen Drucksensor (3, 33) zur Erzeugung eines Messsignals (U) , das dem zu messenden Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums entspricht, und eine Auswerteeinrichtung (2, 32) zur Ermittelung und Ausgabe eines Messwerts in Abhängigkeit des Messsignals (U) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilanordnung (4, 34) vorhanden ist, durch welche der Drucksensor (3, 33) zur Durchführung eines Kalibriervorgangs im eingebauten Zustand von dem zu messenden Druck des gasförmigen oder flüssigen Mediums trennbar ist und durch welche ein vorbekannter Kalibrierdruck dem Drucksensor (3, 33) zuführbar ist, der dem vorbekannten Dampfdruck eines in einer Kalibrierdruckkammer (8, 30) befindlichen Mediums (7) entspricht . 2. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfdruck anhand der vorbekannten Dampfdruck- kurve (60) und der gemessenen Temperatur des in der Kalibrierdruckkammer (8, 30) befindlichen Mediums (7) ermittelt und damit vorbekannt ist. 3. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass die Temperatur und damit der Dampfdruck des in der Kalibrierdruckkammer (8, 30) befindlichen Mediums (7) durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung (22; 21) einstellbar ist. 4. Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdruckkammer (8) durch eine Druckmittlermembran (12) von der Ventilanordnung (4) getrennt ist und dass eine Druckmittlerkammer (18) zwischen der Druckmittlermembran (12) und dem Drucksensor (3) vor der Durchführung eines Kalibriervorgangs durch die Ven- tilanordnung (4) mit einem Druckmittlermedium (28) befüllbar ist. 5. Kalibriervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kalibrierdruckkammern (30) mit voneinander abweichenden Kalibrierdrücken vorhanden sind und dass die Ventilanordnung (34) derart ausge- bildet ist, dass zeitlich nacheinander verschiedene Kalibrierdrücke dem Drucksensor (33) zur Durchführung eines Kalibriervorgangs zuführbar sind. 6. Kalibriervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Kalibrierdruckkammern (30) mit verschiedenen Medien befüllt sind, die voneinander abweichende Dampfdruckkurven besitzen. 7. Druckmessumformer mit einer Kalibriervorrichtung nach ei- nem der vorhergehenden Ansprüche. |
Kalibriervorrichtung für einen Druckmessumformer Die Erfindung betrifft eine Kalibriervorrichtung für einen Druckmessumformer, der einen Drucksensor zur Erzeugung eines Messsignals, das dem zu messenden Druck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums entspricht, und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittelung und Ausgabe eines Messwerts in Abhängig- keit des Messsignals aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Druckmessumformer 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 Druckmessumformer wesentliche sensorische Komponenten im Rahmen von automatisierten Produktionsabläufen dar. Im Hinblick auf ein optimales Anlagenver-. halten und eine dauerhaft hohe Produktqualität sind qualitativ hochwertige Messumformer notwendig, die auch unter extremen Bedingungen langzeitstabile und wenig fehlerbehaftete Messwerte liefern.
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 .
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 Widerstände, 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. Häufige Praxis ist es, zur Rekalibrierung vor Ort nur den Nullpunkt, das heißt bei einem Druckmessumformer den Nulldruckwert, oder den unteren Endpunkt der Drucksensorkennlinie, das heißt den Minimaldruck, neu einzustellen. Dies ist beispielsweise durch einfaches Öffnen des Behältnisses, an welchem der Messumformer zur Druckmessung angebracht ist, also beispielsweise eines Rohrs oder eines Kessels, zur Umgebungsatmosphäre möglich. Da der andere Endpunkt der Kennlinie, das heißt der Maximaldruck, dabei nicht korrigiert wird, ist diese Art der Kalibrierung nicht immer optimal. Die be- schriebene Vorgehensweise ist insbesondere dann nicht ausreichend, wenn der Sensor des Druckmessumformers eine stark nichtlineare Kennlinie aufweist und daher auch Zwischendruck- werte bei der Rekalibrierung neu eingestellt werden sollten. Vergleichweise aufwendig ist es, zur Rekalibrierung Druckmessumformer aus der Anlage auszubauen und in ein spezielles Prüflabor zu bringen. Ein derartiger Aufwand ist in der Regel nur bei einem Stillstand der Anlage vertretbar. Bei einer Re- kalibrierung mittels eines speziellen Kalibriergeräts im Labor werden beispielsweise durch eine Handspindel nacheinander verschiedene Prüfdrücke erzeugt, die jeweils gleichzeitig auf den zu kalibrierenden Druckmessumformer 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 Druckwerte gewichtskraftbasiert mit hoher Präzision erzeugbar sind. Aufgrund ihrer Komplexität und Empfindlichkeit sind diese Geräte jedoch nicht in einer automatisierungstechnischen Anlage vor Ort einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kalibriervor- richtung für einen Druckmessumformer zu schaffen, durch welche eine Kalibrierung vor Ort mit hochgenauer Kalibrierdruckquelle 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.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine hochgenaue Kalibrierdruckquelle bereitgestellt wird, die vor Ort einsetzbar ist und dass durch die Ventilanordnung zudem eine Rekalibrierung im eingebauten Zu- stand des Druckmessumformers ermöglicht wird. Je nach Ausführungsform der Kalibriervorrichtung kann zur Rekalibrierung der Kennlinie eines Drucksensors ein hochgenauer Druckwert oder es können nacheinander mehrere verschiedene hochgenaue Druckwerte auf den Sensor geführt werden. Durch Auswahl des in der Kalibrierdruckkammer befindlichen Mediums ist es zudem möglich, die Kalibriervorrichtung für verschiedene Bereiche von Druckwerten auszulegen. In vorteilhafter 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 werden 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 dem Kalibrierdruck verbindet.
Teile der Kalibriervorrichtung, beispielsweise die Kalibrier- druckkammer, in welcher sich das Medium mit dem vorbekannten Dampfdruck befindet, 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 Druckmessumformer 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 Neukalibrierung des Drucksensors automatisch zyklisch oder zur vorgebbaren Zeiten bewerkstelligen lässt. Es können daher preisgünstigere Drucksensoren zum Einsatz kommen, ohne signifikante Nachteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität des Druckmessumformers hinnehmen zu müssen.
In vorteilhafter Weise ist die Kalibriervorrichtung ebenso zur Durchführung einer Werkskalibrierung geeignet, die bei der Herstellung von Druckmessumformern üblicherweise nach dem Fertigungsprozess erfolgt. Dazu wird der Druckmessumformer mit einem Kalibrierautomaten verbunden, welcher in gestufter Abfolge hochgenaue Kalibrierdrücke vorlegt, anhand derer die Messwandlerkennlinien für mehrere Temperaturstufen ermittelt und im jeweiligen Druckmessumformer-Exemplar statisch hinterlegt werden. Es entfällt 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 des Kalibrierdrucks 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. Zur Temperaturmessung sind Geräte mit sehr hoher Präzision verfügbar, die beispielsweise in der Lage sind, Temperaturmessungen mit einer maximalen Abweichung von 0,01 K durchzuführen. Wird eine Einrichtung zur Heizung oder Kühlung des in der Kalibrierdruckkammer befindlichen Mediums vorgesehen, so lässt sich durch Einstellen der Temperatur des Mediums gezielt ein gewünschter Wert des Kalibrierdrucks anfahren, der durch die Dampfdruckkurve der jeweiligen Temperatur zugeordnet ist.
In Figur 1 sind Werte des Dampfdrucks für verschiedene Alka- ne, die auch als Flüssiggase oder Paraffine bezeichnet werden, 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 Diagrammpunkte 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 nutzbare Dampfdruckkurve. Mit Wasser als Medium in der Kalibrierdruckkammer lässt sich in einem Temperaturbereich von 100 0 C bis 300 0 C ein Kalibrierdruckbe- reich von 1 bar bis ca. 90 bar abdecken.
Der Genauigkeitsvorteil der Kalibrierdruckquelle und der Vorteil bezüglich der Langzeitstabilität gegenüber dem bekannten Druckmessumformer SITRANS P sollen an folgendem Zahlenbei- spiel kurz erläutert werden. Betrachtet wird ein 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 der Kalibriervorrichtung zur Befüllung der Referenzdruckkammer nun Propan ausgewählt, so können aus der Dampfdruckkurve 60 gemäß Figur 1 Kalibrierdruckwerte ab- geleitet 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 Abweichung von maximal +/- 1,7 mbar. Eine Temperaturmessung mit einem Fehler von maximal +/- 0,02 K bedeutet damit eine Unsicherheit des Kalibrierdruckwertes von insgesamt +/- 5 mbar. Der Fehler ist damit deutlich geringer als beim herkömmlichen Druckmessumformer. Es folgt daraus, dass bei entsprechend präziser Temperaturmessung der Druck wesentlich genauer eingestellt werden kann. Die Langzeitstabilität der Kalibriervorrichtung ist ebenfalls deutlich besser als die des Druckmessumformers SITRANS P, da die Kalibrierdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt und die Temperaturmessung langzeitstabil ausgelegt werden kann. Zur Minimierung der zum Betrieb der Kalibriervorrichtung erforderlichen elektrischen Energie kann die Vorrichtung miniaturisiert und beispielsweise in Mikrosystemtechnik hergestellt werden. Bei geeigneter Miniaturisierung ist eine Integration der Kalibriervorrichtung in den Prozessanschluss eines Druckmessumformers möglich, ohne dass dessen Bauform dafür wesentlich vergrößert werden müsste.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur des Mediums in der Kalibrierdruckkammer gemessen und der Dampfdruck wird anhand der vorbekannten
Dampfdruckkurve des Mediums und der gemessenen Temperatur ermittelt. Da die jeweilige Temperatur erfasst wird, kann sie in einem gewissen Bereich veränderlich sein und muss nicht einen fest vorgegebenen Wert beibehalten. Eine derartige Ka- librierdruckquelle kann daher mit einem geringeren Aufwand realisiert werden. Wird die Kalibriervorrichtung derart ausgestaltet, dass die Temperatur und damit der Dampfdruck des in der Kalibrierdruckkammer befindlichen Mediums durch eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung auf verschiedene Werte einstellbar ist, kön- nen in vorteilhafter Weise mit demselben Medium nacheinander verschiedene Kalibrierdrücke angefahren werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Drucksensor um einen Sensor mit nichtlinearem Verhalten handelt. Ein derartiger Sensor ist durch die Kalibriervorrichtung sehr genau kalibrierbar, indem nacheinander mehrere Kalibrierpunkte angefahren und die Sensorkennlinie entsprechend neu eingestellt wird. Besonders vorteilhaft kann zur Temperatureinstellung ein geschlossener Regelkreis mit einem Mess- und Regelmodul, einem Heizelement, einem Temperaturfühler und gegebenenfalls einer Kühlvorrichtung realisiert werden, der das schnelle gezielte Anfahren und Einhalten einer vorgewählten Temperatur oder eines vorbestimmtes Druckwerts ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kalib- rierdruckkammer durch eine Druckmittlermembran von der Ventilanordnung getrennt. Zwischen der Druckmittlermembran und dem Drucksensor befindet sich dann eine Druckmittlerkammer, die vor der Durchführung eines Kalibriervorgangs durch die Ventilanordnung mit einem Druckmittlermedium gespült und be- füllt wird. In vorteilhafter Weise geht bei dieser Ausführungsform bei einem Umschaltvorgang von der Betriebsart des Druckmessumformers „Druck messen", in welcher der Druck eines gasförmigen oder flüssigen Prozessmediums gemessen wird, zur Betriebsart „Kalibrieren", in welcher der Drucksensor des Druckmessumformers durch die Ventilanordnung von dem zu messenden Prozessdruck getrennt und der vorbekannte Kalibrierdruck dem Sensor zugeführt ist, kein Medium aus der Kalibrierdruckkammer verloren. Gleiches gilt auch für den umgekehrten Umschaltvorgang, das heißt von der Betriebsart „Ka- librieren" in die Betriebsart „Druck messen". Zum Spülen und Füllen der Druckmittlerkammer kann zudem vergleichsweise günstiges Wasser verwendet werden, das insbesondere bei Berücksichtigung von Umweltaspekten Vorteile bietet. Dadurch, dass nach der Spülung und Befüllung der Druckmittlerkammer keine Gaseinschlüsse in den Verbindungsleitungen zwischen der Druckmittlermembran und dem Drucksensor vorhanden sind, verschiebt sich die Druckmittlermembran bei Aufschalten des Ka- librierdruckes nur minimal. Die Druckmittlermembran kann ohne Weiteres leicht deformierbar und elastisch ausgelegt werden, so dass sie bei nur geringen Auslenkungen den in der Kalib- rierdruckkammer herrschenden Druck unverändert an das Druckmittlermedium und somit an den Drucksensor weitergibt. Zum Schutz der Druckmittlermembran können beidseitig Membrananschläge, die auch als Membranbett bezeichnet werden, vorgesehen werden. Da bei dieser Ausführung zudem das Kalibriermedium praktisch keine Volumenverschiebung erfährt, kann das Volumen der Kalibrierdruckkammer und damit die Menge des in dieser befindlichen Mediums vergleichsweise klein gewählt werden. Ist die Kalibrierdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt, so verändert sich die Menge des in dieser befindlichen Mediums über die Lebensdauer des Druckmessumformers nicht und es findet auch keine Kontamination des Mediums statt. Da der Wert des Kalibrierdrucks im Wesentlichen nur von der Langzeitstabilität des in der Kalibrierdruckkammer befindlichen Mediums und der Genauigkeit der Temperaturmessung abhängt, die ebenfalls sehr langzeitstabil ausgeführt werden kann, zeichnet sich die Kalibriervorrichtung durch eine vergleichs- weise gute Langzeitstabilität bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand für ihre Realisierung aus.
Wenn mehrere Kalibrierdruckkammern mit voneinander abweichenden Kalibrierdrücken vorhanden sind und die Ventilanordnung derart ausgebildet ist, dass zeitlich nacheinander verschiedene Kalibrierdrücke dem Drucksensor zur Durchführung des Kalibriervorgangs zuführbar sind, erlaubt dies einen schnellen Wechsel der Kalibrierdrücke und damit ein besonders schnelles Rekalibrieren einer nichtlinearen Kennlinie eines Drucksen- sors. Voneinander abweichende Kalibrierdrücke der Kalibrierdruckkammern können beispielsweise durch Befüllen der Kammern mit verschiedenen Medien oder durch Einstellen verschiedener Temperaturen der Kammern erhalten werden. Eine Befüllung der verschiedenen Kalibrierdruckkammern mit verschiedenen Medien, die voneinander abweichende Dampfdruckkurven besitzen, hat dabei den Vorteil, dass keine individuell einstellbaren Temperaturen der Kammern erforderlich sind, wodurch der Aufwand für die Temperatureinstellung reduziert wird, und dass keine thermische Isolation zwischen den Kalibrierdruckkammern notwendig ist, was sich günstig auf den konstruktiven Aufwand auswirkt. Es ist insbesondere bei geeigneter Auswahl der Be- füllungsmedien zulässig, dass die Kalibrierdruckkammern Umge- bungstemperatur annehmen.
Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 Dampfdruckkurven für verschiedene Alkane, Figur 2 eine Prinzipdarstellung einer Kalibriervorrichtung mit Temperaturregelung,
Figur 3 eine Prinzipdarstellung einer Kalibriervorrichtung mit mehreren Kalibrierdruckkammern 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 zur Befüllung einer Kalibrierdruckkammer geeignet sind, dargestellt .
Figur 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausfüh- rungsbeispiels einer Kalibriervorrichtung für einen Druckmessumformer 1, der eine Auswerteeinrichtung 2 und einen Drucksensor 3 aufweist. Mit Hilfe einer Ventilanordnung 4 ist der Drucksensor 3 zur Durchführung eines Kalibriervorgangs im eingebauten Zustand von dem Prozessdruck, der in einem Rohr oder Behälter 5 herrscht, trennbar und statt dessen dem
Drucksensor 3 ein Kalibrierdruck zuführbar. Zur Trennung dient ein Prozesstrennventil 6, das zwischen den Drucksensor 3 und den Behälter 5 geschaltet ist. Der Kalibrierdruck entspricht dem Dampfdruck eines Mediums 7, das sich in einem Kalibrierdruckbehälter 8 befindet. Um die Temperatur des Mediums 7 weitgehend unabhängig von der Umgebung einstellen zu können, ist die Kalibrierdruckkammer 8 mit einer Isolation 9 versehen. Über eine Kanüle 10 ist die Kalibrierdruckkammer 8 mit einer Membrankammer 11 verbunden, in welcher eine Druckmittlermembran 12 mit beidseitigem Membranbett 13 angeordnet ist. Ein Druckmittlermedium 28, insbesondere Wasser, befindet sich in einem Vorratsbehälter 14. Zur Durchführung eines Kalibriervorgangs wird zunächst der Prozessdruck mit Hilfe des Prozesstrennventils 6 vom Drucksensor 3 abgetrennt. Danach werden ein Flutungsventil 15, ein Kalibrierventil 16 und ein Überlaufventil 17 geöffnet, bis eine Druckmittlerkammer 18, welche sich zwischen der Druckmittlermembran 12 und dem
Drucksensor 3 befindet, vollständig mit dem Druckmittlermedium 28 befüllt ist. Die Befüllung der Druckmittlerkammer 18 erfolgt unter Überdruck so, dass kein Gasrestvolumen in den Hohlräumen verbleibt und dass die Druckmittlermembran 12 nach der Befüllung nicht mehr an einem Membranbett 13 anliegt. Die Befüllung kann automatisiert erfolgen, indem beispielsweise die Membranposition gemessen und der Überdruck bei der Befüllung in geeigneter Weise geregelt wird. Wenn die Membran die Mittenposition etwa erreicht hat, werden das Überlaufventil 17 und das Flutungsventil 15 wieder geschlossen. In der Ventilanordnung 4 ist beim sich anschließenden Kalibriervorgang nur noch das Kalibrierventil 16 geöffnet und am Drucksensor 3 liegt damit der vorbestimmte Kalibrierdruck an. Mit diesem vorbekannten Kalibrierdruck kann beispielsweise in der Auswerteeinrichtung 2 des Druckmessumformers 1 eine abgespeicherte Sensorkennlinie neu eingestellt werden, wie es später noch näher erläutert wird. Um verschiedene Kalibrierdrücke einstellen zu können, ist die Kalibrierdruckkammer 8 mit einem Temperaturfühler 20, einer Kühlung 21 und einer Heizung 22 versehen. Ein Mess- und Regelungsmodul 23 dient zur Ansteuerung der Kühlung 21 und der Heizung 22 derart, dass die mit dem Temperaturfühler 20 er- fasste Temperatur möglichst schnell und genau einen gewünschten Wert erreicht. Mit Hilfe des Mess- und Regelungsmoduls 23 wird also das Medium 7 in der Kalibrierdruckkammer 8 durch die Heizung 22 oder die Kühlung 21 auf eine Temperatur aufge- heizt bzw. gekühlt, die sich aus der Dampfdruckkennlinie des Mediums 7 und einem gewünschten Kalibrierdruck ergibt.
Im oberen Bereich der Kalibrierdruckkammer 8 befindet sich ein Teil des Mediums 7 im gasförmigen Aggregatzustand, im ' un- teren Bereich liegt ein anderer Teil dagegen im flüssigen Aggregatzustand vor. Die Größe der Bereiche kann anhand der Lage der Druckmittlermembran 12 festgestellt werden. Das Mess- und Regelungsmodul 23 besitzt zusätzliche Eingänge 25, über welche diesem beispielsweise ein Signal, welches die Lage der Druckmittlermembran 12 repräsentiert, zugeführt werden kann. Ausgänge 26 des Mess- und Regelungsmoduls 23 dienen zur Ansteuerung der Ventile 6, 15, 16 und 17 der Ventilanordnung 4 und zur Übertragung des jeweils eingestellten Werts des Kalibrierdrucks an die Auswerteeinrichtung 2 des Druckmessum- formers 1.
Das Medium 7 hat in der Kalibrierdruckkammer 8, der Kanüle 10 und der Membrankammer 11 denselben Druck. Dieser Druck wird über die Druckmittlermembran 12, die aufgrund der geeigneten Befüllung der Druckmittlerkammer 18 vom Membranbett 13 beabstandet ist, unverändert über die Druckmittlerkammer 18 an den Drucksensor 3 weitergegeben.
Im Fall einer vollautomatischen Kalibrierung erfolgt über die Eingänge 25 und die Ausgänge 26 des Mess- und Regelungsmoduls 23 eine Synchronisation mit dem Druckmessumformer 1 und dessen Auswerteeinrichtung 2, in welcher vorteilhaft die Neuberechnung der Sensorkennlinie durchgeführt wird. Das Medium 7 wird lediglich im oberen Teil der Kalibrierdruckkammer 8, die mit dem unteren Teil der Kalibrierdruckkammer 8, der sich in der Membrankammer 11 befindet, durch die Kanüle 10 verbunden ist, mit Hilfe der Heizung 22 er- hitzt. Über die Kanüle 10 erfolgt aufgrund des niedrigen
Querschnitts nur ein sehr geringer Wärmeabfluss, so dass die Membrankammer 11 nahezu auf Umgebungstemperatur verbleibt. Daher ist es möglich, durch die gute Isolation 9 um den oberen Teil der Kalibrierdruckkammer 8 und die Kanüle 10 bei re- lativ geringer Heizleistung ein schnelles Anfahren eines neuen Temperaturniveaus zu erreichen.
Zusätzlich zur Heizung 22 ist eine Kühlung 21 für den oberen Teil der Kalibrierdruckkammer 8 vorgesehen. Diese kann bei- spielsweise durch eine Kühlspirale realisiert werden, durch welche von einer steuerbaren Kühleinrichtung Kühlluft ge- presst wird. Die Kühlung 21 dient zur effizienteren Temperaturregelung sowie zur Absenkung der Temperatur des Mediums in der Kalibrierdruckkammer 8, die zur Einstellung fallender Ka- librierdruckwerte erforderlich sein kann.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass im Betrieb der Kalibriervorrichtung kein Medium aus der Kalibrierdruckkammer 8 verbraucht wird. Zum anfängli- chen Befüllen und gegebenenfalls zum Nachfüllen der Kalibrierdruckkammer 8 ist an der Membrankammer 11 ein Nachfüllventil 27 vorgesehen. Eventuelle weitere Ventile, zum Beispiel für den Wechsel des Mediums, sind der Übersichtlichkeit wegen in der Figur 2 nicht dargestellt. Zur Minimierung des Energieverbrauchs kann die gezeigte Kalibriervorrichtung in miniaturisierter Form, insbesondere in Mikrosystemtechnik, hergestellt werden. Bei geeigneter Miniaturisierung ist sogar eine Integration der Kalibriervorrichtung in den Prozessan- schluss, insbesondere in den Befestigungsflansch, eines
Druckmessumformers möglich.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 werden vorzugsweise Flüssiggase, die bei Raumtemperatur verschiedene Dampfdruck- werte aufweisen, genutzt. Es müssen daher keine unterschiedlichen Temperaturen in den verschiedenen Kalibrierdruckkammern 30 eingestellt werden, um unterschiedliche Kalibrierdrücke bereitstellen zu können. Weiterhin ist die Kalibriervor- richtung gemäß Figur 3 so ausgelegt, dass ein Medienverlust bei der Durchführung einer Kalibrierung hingenommen wird, so dass sich eine Flutung und Befüllung einer Druckmittlerkammer, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 erforderlich ist, hier erübrigt.
Die in Figur 3 gezeigte Kalibriervorrichtung dient zur Kalibrierung eines Druckmessumformers 31, der eine Auswerteeinrichtung 32 und einen Drucksensor 33 aufweist. Mit Hilfe einer Ventilanordnung 34, die aus Kalibrierdruckventilen 35 bis 38, einem Kalibrierventil 39, einem Prozesstrennventil 40 und einem Umgebungsluftventil 41 besteht, wird der Drucksensor 33 zur Durchführung einer Kalibrierung von einem zu messenden Druck in einem Behälter 42 getrennt und jeweils ein Kalibrierdruck auf den Drucksensor 33 geschaltet. Die Steuerung der Ventilanordnung 34 sowie die Synchronisation des Kalibriervorgangs mit der Auswerteeinrichtung 32 übernimmt ein Mess- und Regelungsmodul 43. Die Kalibrierdruckkammern 30 sind in einem isolierten Behälter 44 untergebracht, dessen Temperatur durch das Mess- und Regelungsmodul 43 gemessen und bei Bedarf eingestellt werden kann.
Zur Durchführung einer Kalibrierung wird der Drucksensor 33 mittels des Prozesstrennventils 40 von dem zu messenden
Druck, dem Prozessdruck im Behälter 42, abgetrennt. An- schließend wird das Umgebungsluftventil 41 geöffnet, so dass am Drucksensor 33 der Umgebungsdruck ansteht. Danach wir das Umgebungsluftventil 41 geschlossen und nacheinander, vorzugsweise in Richtung aufsteigender Druckwerte, wird nur eines der Ventile 35 bis 38 geöffnet, so dass dem Drucksensor 33 verschiedene Kalibrierdrücke aufgeschaltet werden. Durch die Reihenfolge der Druckwerte in aufsteigender Richtung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass bei jedem Zuschalten eines neuen Kalibrierdrucks Medium in eine Druckleitung 45 so lange einströmt, bis sich das Niveau des neuen Kalibrierdrucks einstellt. Dadurch wird ein Einströmen von Fremdmedium in die Kalibrierdruckkammern 30 vermieden. Aufgrund der kurzzeitigen Verdampfung von Medium, insbesondere von Flüssiggas kühlt sich der Vorrat in der jeweiligen Kalibrier- druckkammer 30 geringfügig ab. Diese Temperaturänderung kann jedoch durch eine Temperaturregelung mit Hilfe des Mess- und Regelungsmoduls 43 ausgeglichen werden. Auf diese Weise werden nach demselben Muster alle Druckstufen nacheinander durchgegangen, wobei zuerst immer das zuletzt offene Ventil, beispielsweise das Ventil 36, geschlossen und das Ventil mit der nächsthöheren Druckstufe, beispielsweise das Ventil 37, danach geöffnet wird. Nach Ende des Kalibrier- Vorgangs werden alle Kalibrierdruckventile 35...38 und das Kalibrierventil 39 wieder geschlossen und das Prozesstrenn- ventil 40 geöffnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Temperaturregelung der Kalibrierdruckkammern 30 nicht zwingend erforderlich. Die Umgebungstemperatur kann für den Kalibrierzeitraum, der lediglich wenige Sekunden umfasst, als konstant betrachtet und zur exakten Ermittelung des jeweiligen Dampfdrucks ausgewertet werden. Der jeweilige Dampfdruck ist von den in den Kalib- rierdruckkammern 30 befindlichen Medien abhängig und bei Kenntnis der Umgebungstemperatur bekannt.
In einer weiteren Ausführungsform steuert das Mess- und Regelungsmodul 41 wie bisher die verschiedenen Ventile 35...41 der Ventilanordnung 34 und regelt zusätzlich die Temperaturen der Medien in den Kalibrierdruckkammern 30. Dazu sind in Figur 3 nicht dargestellte Temperaturfühler sowie Heizelemente und gegebenenfalls Kühlelemente erforderlich. Für die Funktion der in Figur 3 dargestellten Kalibriervorrichtung genügt zwar bereits eine einheitliche Temperatureinstellung aller bevorrateter Medien. Jedoch ist auch eine Einstellung verschiedener Temperaturen bei den verschiedenen Kalibrierdruckkammern 30 anwendbar. Der jeweils am Drucksensor 33 während der Kalibrierung anstehende, vorbekannte Kalibrierdruckwert wird durch das Mess- und Regelungsmodul 43 der Auswerteeinrichtung 32 des Druckmessumformers 31 mitgeteilt. In der Auswerteeinrichtung 32 wird dieser mit dem anhand früherer Kalibrierdaten berechneten Messwert des Drucks verglichen und gegebenenfalls eine Neuberechnung der Kalibrierdaten des Druckmessumformers 31 durchgeführt. Dadurch werden Einflüsse von Alterungseffekten des Drucksensors 33 auf das Messergebnis kompensiert und die Messgenauigkeit des Druckmessumformers 31 wieder hergestellt.
Anhand Figur 4 wird beispielhaft die Vorgehensweise bei einer Neukalibrierung eines Druckmessumformers mit zwei Kalibrierdrücken erläutert. Auf der Abszisse eines Kennliniendiagramms ist ein Messsignal U, auf der Ordinate ein gemessener Druck P aufgetragen. Der Wertebereich des Druckmessumformers reicht von einem Anfangswert PO bis zu einem Endwert Pl. Ein erster Kalibrierdruck PSl und ein zweiter Kalibrierdruck 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
Druckmesswerts P anhand des Messsignals U herangezogen. Bei Anlegen des Kalibrierdrucks 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'' gewon- nen. Bei Verwendung lediglich eines Kalibrierdrucks wäre die Neukalibrierung damit bereits abgeschlossen. Bei Anlegen des Kalibrierdrucks 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.
Werden mehr als zwei Kalibrierdrücke in einer Kalibriervorrichtung als Referenz eingesetzt, so kann die Anpassung der Kennlinie an neue Kalibrierdaten beispielsweise durch eine lineare Approximation oder eine abschnittsweise Näherung vor- genommen werden.
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