ESSERT, Thomas (Hauptstr. 35, Östringen, 76684, DE)
MEUNIER, Delphine (6 rue du 19 mars, Scheibenhard, F-67630, FR)
PRAMANIK, Robin (Moninger Str. 17, Karlsruhe, 76135, DE)
SPATZ, Martin (Horststraße 11, Landau, 76829, DE)
CHEMISKY, Eric (4 rue Charles Edelmann, Soultz sous forets, Soultz sous forets, F-67250, FR)
ESSERT, Thomas (Hauptstr. 35, Östringen, 76684, DE)
MEUNIER, Delphine (6 rue du 19 mars, Scheibenhard, F-67630, FR)
PRAMANIK, Robin (Moninger Str. 17, Karlsruhe, 76135, DE)
SPATZ, Martin (Horststraße 11, Landau, 76829, DE)
Patentansprüche
1. Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Sensor (3) zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe und zur Erzeugung eines Messsignals (MS) und mit einer Ansteuer- und Auswerteeinheit (4, 5) zur Bestimmung und Ausgabe eines Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe in Abhängigkeit des Messsignals, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) zumindest ein elektrisches Element (Rl ... R4) aufweist, das in ein Substrat aus halbleitendem Material eingebettet und von diesem im Normalbetrieb elektrisch durch einen gesperrten PN-übergang (DS) getrennt ist, dass Mittel (Kl, RC, 4, 5) zur überwachung des Zustands des Sensors (3) vorhanden sind, durch welche der PN-übergang in einem Testbetrieb in Durchlassrichtung schaltbar ist und die dazu ausgebildet sind, eine elektrische Eigenschaft des PN- übergangs zu bestimmen und zur überwachung des Sensorzustands auszuwerten .
2. Messumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Eigenschaft des PN-übergangs (DS) temperaturabhängig ist, dass ein Temperatursensor (TS) zur Erfassung der Substrat- temperatur vorgesehen ist, dass die überwachungsmittel (Kl, RC, 4, 5) dazu ausgebildet sind, anhand der elektrischen Eigenschaft einen ersten Wert der Temperatur zu bestimmen und mit einem zweiten Wert, der mit dem Temperatursensor (TS) ermittelt ist, zu vergleichen.
3. Messumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Eigenschaft des PN-übergangs (DS) dessen Flussspannung in Durchlassrichtung ist.
4. Messumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (Kl, RC, 4, 5) zur Zustandsüberwachung zumindest teilweise in der Ansteuer- und Auswerteeinheit (4, 5) angeordnet sind.
5. Verfahren zur überwachung des Zustands eines Sensors zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe und zur Erzeugung eines Messsignals (MS) in einem Messumformer zur Prozessinstrumentierung, der eine Ansteuer- und Auswerteeinheit (4, 5) aufweist zur Bestimmung und Ausgabe eines Messwerts der physikalischen oder chemischen Größe in Abhängigkeit des Messsignals (MS) , wobei der Sensor (3) zumindest ein elektrisches Element (Rl ... R4) aufweist, das in ein Substrat aus halbleitendem Material eingebettet und von diesem im Normalbetrieb elektrisch durch einen gesperrten PN- übergang (DS) getrennt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst : in einem Testbetrieb Schalten des PN-übergangs (DS) in Durchlassrichtung, Bestimmen einer elektrischen Eigenschaft des PN-übergangs (DS) und
Auswerten der elektrischen Eigenschaft zur überwachung des Zustands des Sensors (3) . |
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 Sensor- zustands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozess- variablen, 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 wer- den. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt.
Aus der DE 693 09 123 T2 ist ein Sensor eines Druckwandlers mit einem laminierten Substrat bekannt. Eine mit elektrischen Elementen versehene, dünne Membran aus Silizium ist oberhalb einer offenen Kammer angebracht. Druckänderungen führen dazu, dass sich die Membran in die Kammer hinein bzw. aus dieser heraus auslenkt. Die Auslenkungen rufen änderungen eines elektrischen Parameters, üblicherweise einer Kapazität oder eines Widerstandswerts, hervor, die gemessen und in eine dem Druck entsprechende Information umgewandelt werden können. Der Einsatz von Festkörperdrucksensoren in rauer Arbeitsumgebung erfordert häufig ein Gehäuse, welches den Sensor umgibt und diesen vor einer direkten Berührung durch das Medium schützt. Dazu weist das Gehäuse druckfeste Metallteile auf, in welchen sich eine oder mehrere Messkammern befinden, die jeweils durch eine flexible, mediendichte Membran abgedeckt sind, welche die Messkammern von dem Medium trennt und sich
bei einem sich ändernden Druck des Mediums verformt. Ein nicht korrosives, inertes Füllfluid, beispielsweise ein Silikonöl, ist in der Messkammer zwischen der Trennmembran und der Sensormembran vorhanden und überträgt den zu messen- den Druck auf die Sensormembran. Elektrische Leitungen, welche Signale von dem Sensor zu externen Kontakten leiten, sind durch druckdichte Leitungsdurchführungen aus dem Gehäuse herausgeführt und zur Auswertung der Signale an eine An- steuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, die beispiels- weise über einen Feldbus einen dem jeweiligen Druck entsprechenden Messwert an eine Leitstation oder eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgibt. über den technischen Aufbau der elektrischen Elemente, die zur Erfassung der durch den Druck hervorgerufenen Auslenkungen der Sensormembran ver- wendet werden, sind der Patentschrift keine weiteren Angaben entnehmbar .
Allgemein können Sensorelemente, die physikalische Größen, wie Druck, Temperatur oder Gaskonzentrationen, in elektrische Signale umwandeln, auf einem planaren Substrat aufgebracht werden. Dieses Substrat dient dann als mechanische Befestigung des empfindlichen Sensorelements auf einem Träger und zudem als Schutz gegen äußere Einflüsse, beispielsweise zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Ins- besondere bei piezoresistiven Drucksensoren besteht eine Möglichkeit zum Aufbringen der elektrischen Elemente auf das Substrat darin, 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. Die elektrischen Eigenschaften des PN-übergangs sind dabei von dem Substratmaterial und der Dotierung abhängig. Eine Veränderung des Sensormaterials beispielsweise durch chemische Kontamination kann zu Veränderungen des Messsignals und somit zu einem Fehler des Messwerts führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, bei welchem der Zustand eines Substrats, das elektrische Elemente zur Erzeugung eines Messsignals trägt, überwacht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 5 ein überwachungsverfahren beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass nun eine überwachung des Zustands des Sensors beispielsweise auf Veränderungen des Sensormaterials durch chemische Kontamination ermöglicht wird. Bisher waren derartige Veränderungen nicht detektierbar und konnten zu unerkannten Drifterscheinungen des Messwerts, der durch den Messumformer bestimmt und ausgegeben wird, führen. Die Möglichkeit einer Detektion von Veränderungen des Sensors ist von besonderem Vorteil, da in immer mehr Anwen- düngen von Messumformern eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Messung physikalischer oder chemischer Größen gefordert wird. Diese Zuverlässigkeit wird durch entsprechende Zertifizierungen, z. B. nach IEC61508, bestätigt, wobei sich aufgrund der neuen Möglichkeit einer überwachung des Sensor- zustands Diagnosemessungen am Sensor nicht mehr lediglich auf die Messung des elektrischen Bruchs in den elektrischen Elementen selbst oder in den elektrischen Anschlussleitungen beschränken müssen. Vielmehr wird es nun ermöglicht, Veränderungen in den übergängen zwischen den elektrischen Elementen und dem Substrat sowie im Substrat selbst zu detektieren.
Wenn die elektrische Eigenschaft des PN-übergangs, die zur überwachung des Zustands des Sensors bestimmt und ausgewertet wird, temperaturabhängig ist, wenn weiterhin ein Temperatur- sensor zur Erfassung der Substrattemperatur vorgesehen ist und wenn zudem die Mittel zur überwachung des Sensorzustands dazu ausgebildet sind, anhand der elektrischen Eigenschaft einen ersten Wert der Temperatur zu bestimmen und mit einem
zweiten Wert, der mit dem Temperatursensor ermittelt ist, zu vergleichen, wird in vorteilhafter Weise zusätzlich eine überwachung der Genauigkeit des Temperatursensors ermöglicht. Temperatursensoren werden nämlich häufig neben den eigent- liehen, zur Erzeugung des Messsignals vorgesehenen elektrischen Elementen in den Sensor integriert, da gerade bei Sensoren mit Siliziumsubstrat die Temperaturempfindlichkeit nicht vernachlässigt werden kann. Bei derartigen Sensoren ist ein Fehler von 2 %/10 K Temperaturdifferenz üblich und eine Fehlmessung der Temperatur führt unweigerlich zu einer Fehlkompensation des in Abhängigkeit des Messsignals ermittelten Messwerts. Da bisher die Messung der Temperatur lediglich mit Hilfe eines einzigen Temperatursensors erfolgte, musste sich die Diagnose der zur Temperaturmessung verwendeten Schaltung auf die Detektion eines Bruchs des Temperatursensors selbst oder in seinen Zuleitungen beschränken. Langsame Drifterscheinungen konnten dagegen bisher nicht detektiert werden. Da nun aufgrund der Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaft des PN-übergangs von der Temperatur ein Vergleichswert für die mit dem Temperatursensor gemessene Temperatur vorliegt, können die Temperaturmessung auf ihre Richtigkeit kontrolliert und Fehler detektiert werden. Eine Unterscheidung zwischen Fehlern durch Veränderungen des PN-übergangs oder des Substrats oder Fehlern durch Veränderungen des Temperatur- sensors ist nicht erforderlich, da bei Auftreten eines der genannten Fehler eine Fehlermeldung durch den Messumformer ausgegeben und ein Prozess, in welchem der Messumformer eingesetzt wird, gegebenenfalls in einen sicheren Zustand gebracht werden kann. Ein derartiges Verhalten wird bereits bei einer Zertifizierung nach IEC61508 als sicher angesehen und der Sensor gilt als zu 100 % diagnostiziert.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die elektrische Eigenschaft des PN-übergangs dessen Flussspannung in Durchlassrichtung ist. Diese ist vor allem von der Temperatur und dem Zustand der verwendeten Materialien abhängig, der sich beispielsweise durch chemische Kontamination schleichend verändern kann. Somit können sich
allmählich entwickelnde Fehler gut erkannt werden. Die Flussspannung kann beispielsweise im Rahmen einer Kalibrierung des Sensors über der Temperatur als veränderlichem Parameter gemessen und als Kalibrierkurve in ein EEPROM eines Mikro- Controllers abgespeichert werden. Der PN-übergang, dessen
Temperaturverhalten damit bekannt ist, kann die Funktion eines geeichten Temperatursensors übernehmen und zur Diagnose des eigentlichen Temperatursensors herangezogen werden.
Der Messumformer mit der neuen Einrichtung zur überwachung des Sensorzustands ist mit besonders geringem Aufwand herstellbar, wenn die Mittel zur Zustandsüberwachung zumindest teilweise in der ohnehin vorhandenen Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeordnet sind.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt den prinzipiellen elektrischen Aufbau eines Messumformers 1, der zur Prozessinstrumentierung dient und zur Kommunikation mit einer übergeordneten Leitstation in einer prozesstechnischen Anlage an einen Feldbus 2 anschließbar ist. Zum einen kann der Messumformer 1 über den Feldbus 2 mit seinen Betriebsparametern, beispielsweise Adresse am
Feldbus 2 oder Darstellungsart des Messwerts, versorgt werden, zum anderen sind über den Feldbus 2 durch den Messumformer 1 Messwerte, Alarm- oder Zustandsmeldungen ausgebbar.
Ein Sensor 3 dient zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Erfassung eines Drucks. Die übrigen Komponenten des Messumformers 1 haben die Funktion einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, deren Kern ein A/D-Wandler 4 und ein MikroController 5 bilden. Die Ansteuer- und Auswerteeinheit bestimmt einen Messwert der physikalischen oder chemischen Größe in Abhängigkeit eines Messsignals MS, das an Eingängen VS+ und VS- des A/D-Wandlers 4 anliegt, und gibt diesen über einen Aus-
gang FB des MikroControllers 5 aus. Der Sensor 3 enthält vier druckabhängige Widerstände Rl, R2, R3 und R4, die zu einer Messbrücke verschaltet sind. Das Messsignal MS wird als Spannung zwischen zwei Anschlusspunkten S+ und S- gemessen, wobei die Messung ratiometrisch zu einer Versorgungsspannung zwischen den Anschlusspunkten V+ und V- des Sensors 3 durchgeführt wird.
Die Widerstände Rl ... R4 stellen elektrische Elemente dar, die in ein Substrat des Sensors 3 eingebettet sind. Zur elektrischen Isolierung dieser Elemente gegenüber dem Substrat ist dieses in der Nähe der Elemente dotiert, so dass zwischen den Widerständen Rl ... R4 eine Diode entsteht, die in der Figur jeweils mit DS bezeichnet ist und die im Normal- betrieb während den Messungen gesperrt ist. Die Dioden DS sind somit durch einen PN-übergang zwischen den elektrischen Elementen, d. h. den Widerständen Rl ... R4, und dem Substrat des Sensors 3 realisiert.
Zur Messung der Temperatur des Sensors 3 befindet sich zudem auf dem Substrat ein Temperaturmesswiderstand TS, dessen Anschlussleitungen auf zwei Anschlusspunkte T+ und T- des Sensors 3 geführt sind und der mit Eingängen Tl und T2 des A/D- Wandlers 4 verbunden ist.
Eine Spannungsquelle 7, die mit Masse GND verbunden ist, erzeugt eine Versorgungsspannung +Vcc, die über einen Widerstand RB geführt ist, der eine überwachung des Sensors 3 auf Bruch erlaubt. Auf diese Weise wird eine Referenzspannung +VR gewonnen, die zur Versorgung des Sensors 3 an den Anschlusspunkt V+ sowie zur Ermöglichung einer reinen ratiometrischen Messung an einen Eingang V R für eine Referenzspannung des A/D-Wandlers 4 angeschlossen ist.
Der A/D-Wandler 4 misst im Normalbetrieb das differentielle Messsignal MS, das an Eingängen VS+ und VS- des A/D-Wandlers 4 anliegt. Zusätzlich ist der A/D-Wandler 4 in der Lage, an einem Eingang VA, der mit dem Anschlusspunkt S- des Sensors 3
verbunden ist, das absolute Potential gegenüber Masse zu messen. Der Eingang VA wird zudem zur Bestimmung der Durchlassspannung der PN-übergänge, welche in der Figur durch Dioden DS symbolisiert sind, genutzt. Zur Messung der Flussspannung in Durchlassrichtung der Dioden DS als eine elektrische Eigenschaft der PN-übergänge muss durch die Dioden DS ein Strom fließen. Dazu wird im Testbetrieb ein Anschlusspunkt S am Substrat des Sensors 3 über einen Widerstand RC und einen Schalter Kl durch Schließen des Schalters Kl auf Masse GND geschaltet. Der Widerstand RC ist wesentlich kleiner als ein Widerstand RP, der zwischen dem Anschlusspunkt S und der Versorgungsspannung +Vcc angeordnet ist. Der Widerstand RP wird auch als Polarisationswiderstand bezeichnet und hat etwa den zehnfachen Wert des Widerstands RC. Parallel zum Widerstand RP ist ein Kondensator C angeordnet, der dafür sorgt, dass die Impedanz des Substratanschlusspunktes S zur Masse GND für Wechselspannungen so gering ist, dass das Substrat des Sensors 3 auch als Abschirmung zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit dienen kann. Bei für einen Test- betrieb durch den MikroController 5 mit Hilfe eines Steuersignals S geschlossenem Schalter Kl fließt ein Strom über die Dioden DS und den Widerstand RC. Dabei entsteht zwischen der Referenzspannung +VR und dem Substratanschluss S eine Flussspannung, die indirekt durch den A/D-Wandler 4 an seinem Ein- gang VA gemessen wird. Alternativ zu der beschriebenen indirekten Messung der Flussspannung wäre es selbstverständlich möglich, bei geeigneter Ausführung des Sensors 3 und Beschal- tung des A/D-Wandlers 4 die Flussspannung direkt zu erfassen.
Die Flussspannung der Diode DS ist überwiegend von zwei Einflussfaktoren abhängig, nämlich der Temperatur und dem Zustand der Materialien des Sensors 3, der beispielsweise durch chemische Kontamination verändert werden kann. Bei einer Kalibrierung des Messumformers 1 wird die Flussspannung zur Be- Stimmung ihrer Temperaturabhängigkeit für verschiedene Temperaturen gemessen und nach Art einer Kennlinie mit der Temperatur als Kennlinienparameter in ein EEPROM des Mikrocontrol- lers 5 abgespeichert. Aufgrund des so erfassten Temperatur-
Verhaltens kann der PN-übergang, welcher durch die Dioden DS symbolisiert wird, die Funktion eines geeichten Temperatursensors übernehmen. Zur Diagnose des Temperatursensors TS wird die im Testbetrieb ermittelte temperaturabhängige Fluss- Spannung der Dioden DS zur Bestimmung eines Vergleichswerts für die zeitnah dazu mit dem Temperatursensor TS im Normalbetrieb ermittelte Temperatur herangezogen. Bei Abweichungen zwischen Vergleichswert und der mit Hilfe des Temperatursensors TS bestimmten Temperatur wird ein Fehler festgestellt und mit Hilfe des MikroControllers 5 eine Fehlermeldung auf dem Ausgang FB und damit über den Feldbus 2 ausgegeben, so dass geeignete Maßnahmen zur Behebung des Fehlers eingeleitet werden können. Die Abweichungen können sowohl durch eine Kontaminierung des Substrats des Sensors 3 als auch durch Fehler im Temperatursensor TS, beispielsweise durch einen Leitungsbruch, verursacht sein.
Im Normalbetrieb ist der Schalter Kl durch Ausgabe eines entsprechenden Steuersignals S geöffnet. Das Substrat des Sensors 3 ist über den Widerstand RP auf ein Potential gelegt, das höher ist als die Referenzspannung +VR, die am Anschlusspunkt V+ des Sensors 3 anliegt. Die mit den Dioden DS symbolisierten PN-übergänge zwischen dem Substrat und den elektrischen Elementen, d. h. den Widerständen Rl ... R4, sind damit gesperrt. Es fließt also kein Strom vom Anschlusspunkt S in die mit den Widerständen Rl ... R4 gebildete Messbrücke und die elektronischen Elemente sind elektrisch durch die PN-übergänge vom Substrat des Sensors 3 getrennt. Dadurch wird eine unverfälschte Messung des Drucks im Normalbetrieb ermöglicht.
In vorteilhafter Weise werden zur überwachung weitgehend Mittel eingesetzt, die ohnehin in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung eines Druckmessumformers vorhanden sind. Lediglich der Widerstand RC, der Schalter Kl und Programmabschnitte des MikroControllers 5, die zur Durchführung eines Verfahrens zur überwachung des Zustands des Sensors 3 geeignet sind, müssen ergänzt werden. Das neue überwachungsverfah-
ren, das eine Sammeldiagnose des Sensors 3 ermöglicht, die eine Aussage über die Korrektheit der gemessenen Sensortemperatur und über den Zustand der Sensormaterialien enthält, ist daher mit einem vergleichsweise geringen zusätzlichen Aufwand gegenüber herkömmlichen Messumformern verbunden .