Messumformer zur Prozessinstrumentierung und Verfahren zur Überwachung des Zustands dessen Sensors

Die Erfindung betrifft einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Sensor zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung des Sensorzu- Stands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer beispielsweise dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, zum Beispiel Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Me ^¬ diums. Mit Hilfe eines Sensors, der häufig auf einem planaren Substrat aufgebracht ist, wird die physikalische oder chemi ^¬ sche Größe in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dieses Substrat dient dann als mechanische Befestigung des empfind ^¬ lichen Sensors auf einem Träger und zudem als Schutz gegen äußere Einflüsse, beispielsweise zur Verbesserung der elek ^¬ tromagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere bei piezoresis- tiven Drucksensoren besteht eine Möglichkeit zum Aufbringen elektrischer Sensorelemente des Sensors auf das Substrat da ^¬ rin, diese Elemente im Substrat einzubetten und das Substrat in der Nähe dieser Elemente zu dotieren, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Element und dem Substrat besteht. Ein PN-Übergang nach Art einer Diode sorgt bei geeignetem Anlegen einer Spannung für eine elektrische Trennung von Element und Substrat. Elektrische Leitungen, welche Signale von dem Sensor zu externen Kontakten leiten, sind zur Auswertung der Signale an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, die beispielsweise über einen Feldbus ei- nen dem jeweiligen Druck entsprechenden Messwert an eine

Leitstation oder eine speicherprogrammierbare Steuerung aus ^¬ gibt . Aus der EP 2 269 009 Bl ist ein Messumformer zur Prozessinstrumentierung bekannt, bei welchem der Zustand eines Sub ^¬ strats, das elektrische Elemente eines Sensors zur Erzeugung eines Messsignals trägt, auf Veränderungen durch chemische Kontamination überwacht wird. Zusätzlich werden die Sensorelemente und ihre Anschlussleitungen auf Bruch, das heißt auf elektrische Unterbrechung, überwacht.

Die Detektion eines Sensorbruchs kann beispielsweise über ei- ne Messung der Stromaufnahme der zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Messwiderstände, welche allgemein als Sensorelemente bezeichnet werden können, erfolgen. Da die Tempera ^¬ turempfindlichkeit dieser Widerstände relativ hoch im Ver ^¬ gleich zu ihrer Druckempfindlichkeit ist, wird eine hochge- naue Ermittlung des aufgenommenen Stromes mit zusätzlicher Temperaturkompensation benötigt. Die dafür erforderliche, hochgenaue Messelektronik ist aufgrund der geforderten geringen Bauelementestreuung in nachteiliger Weise mit hohem Aufwand verbunden. Da in immer mehr Anwendungen von Messumfor- mern eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Messung physika ^¬ lischer oder chemischer Größen gefordert wird, welche durch entsprechende Zertifizierungen, zum Beispiel nach IEC 61508, zu bestätigen ist, kann jedoch immer seltener auf eine Überwachung des Sensors auf Fehlfunktion oder Bruch verzichtet werden. Dabei kann eine Fehlfunktion eines Sensors unter anderem durch ein Reißen von Signal- und/oder Versorgungsdrähten, die als Leitungen auf dem Substrat oder als Bondingdrähte ausgeführt sein können, oder zum Beispiel bei resistiven Drucksensoren durch einen Bruch des auf dem Substrat eindo- tierten Materials hervorgerufen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, bei welchem der Zustand eines Sensors zuverlässig und mit geringem Aufwand auf Reißen oder Bruch des Sensors oder von Zuleitungen überwacht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- Spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprü ^¬ chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 6 ein Überwachungsverfahren beschrieben. Der Querregler, auch Parallelregler oder Shuntregler genannt, ist parallel zum Sensor geschaltet und nimmt immer so viel Strom auf, wie über den zum Sensor in Reihe geschalteten Widerstand geführt werden muss, damit die am Widerstand abfal ^¬ lende Spannung und damit die Versorgungsspannung des Sensors konstant gehalten wird. Nimmt der Sensor einen höheren Strom auf, sinkt somit der durch den Querregler eingestellte Strom entsprechend. Umgekehrt stellt der Querregler einen höheren Strom ein, wenn über den Sensor beispielsweise aufgrund sei ^¬ ner Temperaturabhängigkeit ein geringerer Strom fließt. Da die Versorgungsspannung des Sensors durch den Querregler konstant gehalten wird, ist diese weitgehend unabhängig von der Temperatur. Das hat den Vorteil, dass sich eine eventuell nicht lineare Abhängigkeit des Messsignals von der Spannungs ^¬ versorgung des Sensors nicht auf die Messgenauigkeit des Messumformers auswirkt. Die indirekte Messung des durch den

Sensor aufgenommenen Stroms und ihre Überwachung zur Detekti- on eines Fehlverhaltens oder Bruchs hat dabei den Vorteil, dass sie eine vergleichsweise geringe Empfindlichkeit gegen ^¬ über einer Bauelemementestreuung in der Auswerteelektronik besitzt.

Die Erfindung hat somit den Vorteil, dass in besonders einfa ^¬ cher Weise und mit geringem Aufwand ein Sensor, der zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe in einem Messumformer vorgesehen ist, auf Veränderungen überwacht werden kann, die beispielsweise mit einer Rissbildung im Substrat oder einem Drahtbruch einhergehen. Dabei kann es vorkommen, dass eine Rissbildung des Substrats bereits zu einer detektierbaren Veränderung des durch den Querregler einge- stellten, parallel zum Sensor fließenden Stroms führt, während in dem Sensor noch lediglich eine schleichende Verände ^¬ rung seiner zur Erzeugung des Messsignals genutzten Eigenschaft und damit ein Verschieben des Messwerts, ein so ge ^¬ nanntes Driften, bewirkt wird, die sich lediglich als Mess- wertverfälschung äußert und ohne Verwendung des Querreglers mit Stromauswertung nicht als Fehler erkannt werden könnte. Somit wird auch die Zuverlässigkeit der durch den Messumfor ^¬ mer gelieferten Messwerte verbessert. Bei Auftreten eines Fehlers, der beispielsweise als Stromüberhöhung erkannt wird, gibt der Messumformer eine Fehlermeldung aus und ein Prozess, in welchem der Messumformer eingesetzt wird, kann gegebenenfalls in einen sicheren Zustand gebracht werden. Damit wird der Anteil von möglichen Fehlern, die in einen sicheren Zu- stand führen, die so genannte „Safe Failure Fraction (SFF)" erhöht .

Wie bereits oben erläutert, ist die Summe des durch den Sen ^¬ sor und den dazu parallel geschalteten Querregler aufgenomme- nen Stroms weitgehend konstant. Somit treten kaum exemplar ^¬ spezifische Schwankungen des Stromverbrauchs auf und es müs ^¬ sen bei einem modularen Aufbau von Sensoreinheit und An- steuer- und Auswerteelektronik keine exemplarspezifischen Anpassungen der Schnittstelle an den jeweiligen Stromverbrauch der Sensoreinheit vorgenommen werden. Die Erfindung wirkt sich daher günstig auf die Modularität des Messumformers aus. Das ist insbesondere von Vorteil bei einem Aufbau eines Mess ^¬ umformers, bei welchem eine Sensoreinheit getrennt von einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeordnet werden muss. Beispielsweise ist es bei einer Ausführung einer Sensoreinheit für einen Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen der Zone 0 möglich, die Sensoreinheit innerhalb eines Tanks anzu ^¬ ordnen, während sich die zugehörige Ansteuer- und Auswerte ^¬ einrichtung, die lediglich für explosionsgefährdete Bereiche der Zone 1 geeignet ist, außerhalb des Tanks befindet.

Eine besonders gute Ansprechempfindlichkeit der Überwachung kann erreicht werden, wenn in der Sensoreinheit die Sensortemperatur ermittelt wird und jeweils zugeordnete Grenzwerte, deren Überschreiten als vorbestimmtes Kriterium zur Detektion von Fehlern überwacht wird, in Form einer Temperaturkennlinie abgelegt sind. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei intaktem Sensor und maximaler Stromaufnahme des Sensors nur ein vergleichsweise kleiner, parallel zum Sensor fließender Strom durch den Querregler eingestellt. Wenn ein beispielsweise um eine Größenordnung kleinerer Strom als bei minimaler Stromaufnahme des Sensors eingestellt wird, ist da ^¬ mit in vorteilhafter Weise die Gesamtstromaufnahme durch Er ^¬ gänzung des Querreglers nur unwesentlich erhöht. Dies wirkt sich günstig auf den Stromverbrauch des Messumformers aus.

Eine besonders einfache Möglichkeit zur Ermittlung des paral ^¬ lel zum Sensor fließenden Stroms ist, diesen über einen Messwiderstand zu leiten, der in den Pfad des zu ermittelnden Stroms eingefügt ist. Der Bereich auftretender Stromwerte kann durch geeignete Bemessung des Widerstandswerts zur Er ^¬ leichterung der Auswertung auf einen weiten Spannungsbereich abgebildet werden. Das so erzeugte Spannungssignal, dessen Wert dem jeweiligen Wert der Stromstärke entspricht, kann beispielsweise zur Auswertung auf einen Analog-Digital-Umset- zer zur digitalen Weiterverarbeitung geführt werden oder es kann zum Vergleich mit einem vorbestimmten Grenzwert auf einen Komparatoreingang gegeben werden, an dessen anderem Eingang eine dem jeweiligen vorbestimmten Grenzwert entsprechende Vergleichsspannung angelegt ist.

Zur Wandlung des Messsignals in einen digitalen Messwert ist üblicherweise ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Messumformers ist es vor ^¬ teilhaft, die Versorgungsspannung des Sensors auf dessen Re- ferenzspannungseingang zu führen. Dies erlaubt eine

ratiometrische Messung von hoher Genauigkeit, die unabhängig von kleinen Schwankungen der Versorgungsspannung des Sensors ist . Anhand der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er ^¬ findung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, Figur 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels und

Figur 3 ein Stromdiagramm. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 sind lediglich die zum besseren Verständnis der Erfindung beitragenden Teile eines Messumformers 1 darge- stellt, der zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, beispielsweise eines Drucks, dient. Auf einem Substrat, welches als druckempfindliche Membran ausgebildet ist, sind vier dehnungsempfindliche Widerstände eines Sensors S zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. An diese Wheat- stone-Brücke wird im Betrieb des Messumformers eine im We ^¬ sentlichen konstante Versorgungsspannung Vref angelegt. Durch den Sensor S, der im Wesentlichen aus der Wheatstone-Brücke besteht, fließt ein Strom Is, der zum einen vom jeweils herrschenden Druck, zum anderen aber auch von der Temperatur ab- hängig ist. Zwischen Anschlüssen X+ und X- ist eine Spannung abgreifbar, deren Pegel dem jeweiligen Druck entspricht und welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Messsignal, das durch den Sensor erzeugt wird, darstellt. Das Messsignal wird in bekannter Weise durch eine Ansteuer- und Auswerteein- richtung 2 zu einem Messwert für die physikalische oder che ^¬ mische Größe weiterverarbeitet, der bei Einsatz des Messum ^¬ formers 1 in einer prozesstechnischen Anlage beispielsweise an ein Automatisierungsgerät oder eine Leitstation über einen Feldbus 3 ausgegeben wird.

Ein strombegrenzender Widerstand Rl ist zwischen eine Versorgungsspannung Vcc und die konstante Versorgungsspannung Vref des Sensors S geschaltet. Durch einen Querregler, der einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen R2 und R3, einen Opera- tionsverstärker OP1, einen Transistor Tl und einen gegen Masse geschalteten Messwiderstand Rm umfasst, ist zum Sensor S parallel geschaltet und regelt eine über dem Widerstand Rl abfallende Spannung VI auf einen konstanten Wert. Bei im We- sentlichen konstanter Versorgungsspannung Vcc ist somit auch die Versorgungsspannung Vref des Sensors S weitgehend kon ^¬ stant und unabhängig von dessen Temperatur. Ebenso wird ein über den Widerstand Rl fließender Strom Io durch den Querregler konstant gehalten. Ein parallel zum Sensor S fließender und durch den Querregler eingestellter Strom Ip verhält sich daher gegenläufig zum Strom Is, der durch den Sensor S fließt. Ändert sich das ohmsche Verhalten des Sensors S auf ^¬ grund eines Fehlers, zum Beispiel einer Kontaminierung des Substrats, auftretender Leckströme, Risse im Substrat, Lei- tungsbruch oder Kurzschluss, ändert sich auch der durch den Querregler eingestellte Strom Ip entsprechend und in Folge davon die am Widerstand Rm abfallende Spannung. Mit dem Wi ^¬ derstand Rm wird also eine Spannung erhalten, die der Stromstärke des Stroms Ip entspricht, die sich wiederum gegenläu- fig zur Stromstärke des Stroms Is verhält. Das Auftreten ei ^¬ nes Fehlers am Sensor S kann somit durch Überwachen der ermittelten Stromstärke des Stroms Ip auf Einhalten vorbestimmter Kriterien festgestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Stromstärke des Stroms Ip mit Hilfe eines Operationsverstärkers OP2 auf Übersteigen einer vorbe ^¬ stimmten Schwelle überwacht, die mit Hilfe eines pulsweiten- modulierten Ausgangs PWM der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 und eines nachgeschalteten Tiefpasses, der als RC- Glied aus einem Widerstand R4 und einem Kondensator Cl be- steht, erzeugt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers

OP2 ist auf einen digitalen Eingang Int in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 geführt. Tritt ein Reißen oder ein Bruch des Substrats oder von Verbindungsleitungen auf, führt dies zu einem Pegelwechsel am Digitaleingang Int. Der anlie- gende Signalzustand ist beispielsweise bei Verwendung einer geeigneten Software zur Programmierung eines in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 eingesetzten Mikroprozessors durch ein sogenanntes Polling feststellbar. Ebenso kann ein Inter- rupteingang eines Mikroprozessors verwendet werden, wie es im vorliegenden Beispiel der Fall ist.

Ein temperaturabhängiger Widerstand RT dient zur Erfassung der Temperatur des Sensors S und ist mit einem Eingang ADC der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 verbunden, in welcher durch Analog-Digital-Wandlung ein digitaler Temperaturwert bestimmt wird. Anhand des jeweiligen Temperaturwerts wird zum einen eine Temperaturkompensation des Messwerts zur Verbesse- rung der Messgenauigkeit und zum anderen eine Anpassung des

Grenzwerts, der zur Sensorüberwachung benötigt wird, entspre ^¬ chend in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 hinterlegten Temperaturkennlinien durchgeführt . Der Widerstand R5, über welchen die Versorgungsspannung Vref des Sensors S auf die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 geführt ist, ermöglicht eine ratiometrische Auswertung des Messsignals des Sensors S und dient somit ebenfalls zur Ver ^¬ besserung der Messgenauigkeit.

Figur 2 zeigt ein gegenüber Figur 1 leicht modifiziertes Aus ^¬ führungsbeispiel, in welchem eine Sensoreinheit 4 für einen Einsatz in einer explosionsgefährdeten Zone 0 ausgeführt ist. Der Widerstand Rl ist hier das Element, welches die durch die Sensoreinheit 4 aufgenommene Leistung bestimmt. Die Wider ^¬ stände R2, R5, R6 und R7, welche sich auf der Grenze des leistungsreduzierten Bereichs der Sensoreinheit 4 befinden, sind vergleichsweise hochohmig. Der Strom Ip wird durch einen Ausgangstransistor des Operationsverstärkers OP1 eingestellt, so dass auf einen zusätzlichen Transistor (Tl in Figur 1) verzichtet werden kann.

In dem Stromdiagramm gemäß Figur 3 ist die Abhängigkeit des parallel zum Sensor fließenden Stroms Ip von dem durch den Sensor fließenden Strom Is dargestellt, der selbst wiederum entsprechend einer Funktion f (T) von der Temperatur T des Sensors abhängig ist. Je nach Temperatur T liegt der Strom Is zwischen einem Minimalwert Ismin und einem Maximalwert Ismax. Durch den Querregler wird gegenläufig dazu der Strom Ip ein- gestellt, wie es in Figur 3 durch einen Verlauf 30 angedeutet ist. Beim Maximalwert Ismax des Stroms Is, der durch den Sen ^¬ sor fließt, das heißt bei maximaler Stromaufnahme des Sen ^¬ sors, wird ein Wert Io - Ismax für den Strom Ip eingestellt. Dieser ist gegenüber dem maximal durch den Sensor aufgenommenen Strom Ismax vergleichsweise klein. Durch den Querregler wird somit die Stromaufnahme der Sensoreinheit nur unwesent ^¬ lich erhöht. Die bei verschiedenen Temperaturen jeweils im Mittel zu erwartenden Werte des Stroms Ip können zum Beispiel als Kennli ^¬ nie über der Temperatur dargestellt werden. Damit bei der Überwachung keine Fehlalarme aufgrund von Bauelementestreuungen ausgelöst werden, müssen zur Detektion eines Sensorfehl- Verhaltens Grenzwerte in Form einer Temperaturkennlinie in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 (Figuren 1 und 2) hinterlegt werden, die leicht darüber liegen. Die Ermittlung der Grenzwerte kann daher in einfacher Weise durch Parallelverschiebung der Temperaturkennlinie um einen gewissen Betrag nach oben erfolgen, welcher die zulässigen Abweichungen von den Erwartungswerten geringfügig übersteigt.