Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten in mit Druck übertragenden Flüssigkeiten gefüllten

Druckmessaufnehmern

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten in mit Druck übertragenden Flüssigkeiten gefüllten Druckmessaufnehmern.

[0002] Druckmessaufnehmer werden in nahezu allen Industriezweigen zum Messen von

Drücken eingesetzt. Die gemessen Druckwerte werden z.B. zum Steuern, Regeln und/ oder überwachen eines industriellen Herstellungs- und/oder Verarbeitungsprozesses eingesetzt.

[0003] In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter-Sensoren, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. üblicherweise weist ein solcher Drucksensor einen membranförmigen Drucksensor-Chip auf, der in einer Druckmesskammer aufgebracht ist. Drucksensor-Chips sind in der Regel sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen ist ein mit einer Flüssigkeit gefüllter Druckmittler mit einer äußeren Trennmembran vorgeschaltet. Im Betrieb wird der zu messende Druck an die Trennmembran angelegt und über den Druckmittler auf den in der Druckmesskammer befindlichen Drucksensor-Chip übertragen. Das gilt sowohl für die Messung von absoluten Drücken, als auch für die Messung von Relativdrücken und Differenzdrücken.

[0004] Das Innenvolumen von Druckmittler und Messkammer ist bei einwandfrei arbeitenden Messaufnehmern flüssigkeitsdicht verschlossen. Es besteht jedoch die Gefahr, dass der Druckmessaufnehmer derart beschädigt wird, dass Flüssigkeit aus diesem Innen volumen austritt. Dies kann z.B. durch eine mechanische Beschädigung der Trennmembran oder durch undichte Stellen im Bereich der Befestigung der Trennmembran, an der Befüllöffnung, über die die Flüssigkeit eingefüllt wurde, oder im Bereich von Durchführungen, z.B. für Anschlussleitungen des Drucksensor, auftreten. Der Flüssigkeitsverlust führt zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Messaufnehmers. Je nach dem, wie groß der Flüssigkeitsverlust ist, kann dieser zu einer Reduzierung der Messgenauigkeit, zu erheblichen Funktionsstörungen oder im schlimmsten Fall zu einem Totalausfall des Messaufnehmers führen. Erhebliche Funktionsstörungen treten insb. bei tiefen Temperaturen und/oder bei hohen auf den

Druckmessaufnehmer einwirkenden Drücken auf.

[0005] Zusätzlich kann die austretende Flüssigkeit Schälen anrichten, wenn sie, z.B. durch einen Riss in der Trennmembran, in einen industriellen Herstellungsprozess gelangt und sich mit den dort zu verarbeitenden Produkten vermischt.

[0006] In der DE-A 10 2004 019 222 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur

[0007] Diagnose von Flüssigkeitsverlusten in mit Druck übertragenden Flüssigkeiten gefüllten Druckmessaufnehmern beschrieben, bei der in der Druckmesskammer des Druckmessaufnehmers ein Prüfelement angeordnet ist, dessen Volumen durch eine entsprechende Ansteuerung zu Diagnosezwecken vergrößert werden kann. Eine Vergrößerung des Volumens führt zu einem Druckanstieg in der Druckmesskammer, der dann mittels des Drucksensors aufgezeichnet wird. Die Diagnose der Leckage erfolgt in dem der zeitliche Verlauf eines durch eine Volumenvergrößerung bewirkten Druckanstiegs mit dem Drucksensor aufgezeichnet wird, und mit einer entsprechenden Referenzkurve des intakten Druckmessaufnehmers verglichen wird. Dabei bewirkt ein Flüssigkeitsverlust, dass der durch eine definierte Volumenvergrößerung ausgelöste maximale Druckanstieg geringer ist, als dies bei einem intakten Druckmessaufnehmer der Fall wäre. Zusätzlich kann durch die Volumenvergrößerung Flüssigkeit aus dem Druckmessaufnehmer heraus gepresst werden. Dies führt dann beispielsweise zu einem zeitverzögerten Abfall des Drucks in der Druckmesskammer, der sich in der während der Diagnose aufgezeichneten Kennlinie wieder spiegelt.

[0008] Diese Methode weist den Nachteil auf, dass der durch die Volumenvergrößerung des Prüfelements erzielbare Messeffekt nur verhältnismäßig gering ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass Trennmembranen in der Regel möglichst dünn sind und eine möglichst geringe Federsteifigkeit aufweisen, um eine möglichst unverfälschte übertragung des außen an der Trennmembran anliegenden Drucks zu erzielen. Leckagen lassen sich auf diese Weise erst dann erkennen, wenn bereits eine verhältnismäßig große Flüssigkeitsmenge ausgetreten ist. Dies hat zur Folge, dass in der Regel nur große Beschädigungen der Trennmembran erkannt werden können, kleinere Leckagestellen, z.B. im Bereich der Trennmembran, an anderen mechanischen Komponenten oder an Fügestellen, bei denen nur geringe Flüssigkeitsverluste auftreten, jedoch unentdeckt bleiben.

[0009] Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Druck in der Druckmesskammer während der Diagnose erhöht wird. Durch diese Druckerhöhung wird bei Vorliegen eines Lecks unter Umständen noch mehr Flüssigkeit aus dem Druckmessaufnehmer heraus gepresst.

[0010] Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten in mit Druck übertragenden Flüssigkeiten gefüllten Druckmessaufnehmern anzugeben.

[0011] Hierzu besteht die Erfindung in einem Druckmessaufnehmer mit

[0012] - einem in einer Druckmesskammer angeordneten Drucksensor,

[0013] - einem an die Druckmesskammer angeschlossenen Druckmittler,

[0014] — der nach außen von einer Trennmembran abgeschlossen ist,

[0015] — auf deren Außenseite im Messbetrieb ein zu messender Druck einwirkt,

[0016] - der einen abgeschlossenen Innenraum umfasst,

[0017] — der die Innenräume des Druckmittlers und der Druckmesskammer umfasst,

[0018] — der mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt ist,

[0019] — die im Messbetrieb dazu dient einen auf die Trennmembran einwirkenden

[0020] Druck auf den Drucksensor zu übertragen, und

[0021] - einer Vorrichtung zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten,

[0022] — die ein in dem abgeschlossenen Innenraum angeordnetes Prüfelement

[0023] aufweist, dessen im Innenraum befindliches Außenvolumen zur Diagnose von

[0024] Flüssigkeitsverlusten reduzierbar ist,

[0025] — die eine Auswerteinheit aufweist,

[0026] — die während der Diagnose dazu dient, einen vom Drucksensor

[0027] gemessenen Druck in Abhängigkeit von einer Volumenreduzierung des

[0028] Prüfelements zu erfassen, und

[0029] — anhand dieses in Abhängigkeit von der Volumenreduzierung gemessenen

[0030] Drucks erkennt ob Flüssigkeit ausgetreten ist.

[0031] Gemäß einer Weiterbildung ist die maximal erzielbare Volumenreduktion des Prüfelements in Abhängigkeit von einem zwischen der Trennmembran und deren Membranbett im unbelasteten Zustand eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen so ausgelegt, dass die Trennmembran an deren Membranbett anliegt, wenn das Prüfelement sein Minimalvolumen einnimmt.

[0032] Gemäß einer ersten Ausgestaltung umfasst das Prüfelement ein piezoelektrisches

Element, dessen Volumen durch Anlegen einer elektrischen Spannung reduzierbar ist.

[0033] Gemäß einer zweiten Ausgestaltung ist das Prüfelement ein mikromechanischer Faltenbalg.

[0034] Gemäß einer dritten Ausgestaltung umfasst das Prüfelement einen beweglichen Kolben.

[0035] Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten

in erfindungemäßen Druckmessaufnehmern, bei dem

[0036] - das Volumen des Prüfelements solange reduziert wird, bis entweder

[0037] ein nicht-linearer Abfall des gemessenen Drucks auftritt, oder bis eine

[0038] Obergrenze für die Volumenreduktion erreicht wird, und

[0039] - beim Auftreten eines nicht-linearen Abfalls die zugehörige

[0040] Volumenreduktion mit einem bei intaktem Druckmessaufnehmer

[0041] aufgezeichneten Referenzwert verglichen wird, und

[0042] - ein gegebenenfalls eingetretener Flüssigkeitsverlust anhand einer Differenz

[0043] der zugehörigen Volumenreduktion und des Referenzwertes quantifiziert

[0044] wird.

[0045] Gemäß einer Weiterbildung dieses Verfahrens werden die Diagnosen wiederkehrend ausgeführt, es wird ein zeitlicher Verlauf der gegebenenfalls eingetretenen Flüssigkeitsverluste bestimmt, und es werden anhand dieses Verlaufs Vorhersagen über die Zuverlässigkeit des Messaufnehmers, dessen zu erwartende Lebensdauer und/ oder einen Wartungs- oder Austauschbedarf abgeleitet.

[0046] Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer, bei dem

[0047] - das Volumen des Prüfelements auf ein Testvolumen reduziert

[0048] wird,

[0049] - der zugehörige mit dem Drucksensor gemessene Druck erfasst wird, und

[0050] - mit einem vorgegebenen Referenzdruck verglichen wird, und

[0051] - anhand dieses Vergleichs festgestellt wird, ob ein Flüssigkeitsverlust vorliegt.

[0052] Gemäß einer ersten Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens, wird der gemessene Druck mit einem Referenzwert verglichen, und die Auswerteeinheit diagnostiziert einen Flüssigkeitsverlust, wenn der gemessene Druck geringer als der Referenzwert ist.

[0053] Gemäß einer Weiterbildung hierzu wird ein diagnostizierter Flüssigkeitsverlust anhand der Differenz zwischen dem gemessenen Druck und dem Referenzwert quantifiziert.

[0054] Gemäß einer zweiten Weiterbildung des letztgenannten Verfahrens, wird der gemessene Druck mit einem Referenzwert verglichen, und die Auswerteeinheit diagnostiziert eine Beschädigung, die zu einem Druckausgleich mit der Umgebung führt, wenn der gemessene Druck größer als der Referenzwert ist.

[0055] Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente

sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0056] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen

[0057] Druckmessaufnehmer;

[0058] Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Druckmessaufnehmers mit einem

[0059] Federbalg als Prüfelement;

[0060]

[0061] Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Druckmessaufnehmers, bei dem das

[0062] Prüfelement einen Kolben umfasst;

[0063] Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Druckmessaufnehmers;

[0064] Fig. 5 zeigt eine Referenzkennlinie des Druckmessaufnehmers von Fig. 1;

[0065] Fig. 6 zeigt mehrere bei unterschiedlichen Flüssigkeitsverlusten aufgenommene Diagnose-Kennlinien des Druckaufnehmers von

[0066] Fig. 1; und

[0067] Fig. 7 zeigt mehrere bei unterschiedlichen Flüssigkeitsverlusten bei einem

[0068] vorgegebenen Testvolumen des Prüfelements aufgenommene

[0069] Messpunkte des Druckaufnehmers von Fig. 1.

[0070] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer mit einem in einer Druckmesskammer 1 angeordneten Drucksensor 3, z.B. einen Halbleiter-Sensor. Hierzu eignen sich z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen. Bei dem dargestellten Druckmessaufnehmer handelt es sich um einen Absolutdruckmessaufnehmer. Entsprechend ist der Drucksensor 3 hier ein Absolutdrucksensor. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Absolutdruckmessaufnehmer beschränkt, sondern in analoger Form auch in Relativdruckmessaufnehmern und Differenzdruckmessaufnehmern einsetzbar.

[0071] An die Druckmesskammer 1 ist ein Druckmittler 5 angeschlossenen, der nach außen von einer Trennmembran 7 abgeschlossen ist. Im Messbetrieb wirkt ein zu messender Druck p _M von außen auf die Trennmembran 7 ein. Der Druckmittler 5 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine kurze Kapillarleitung 9, die in einer nach außen von der Trennmembran 7 abgeschlossenen Druckempfangskammer 11 eines Membranträgers 13 mündet.

[0072] Der Druckmessaufnehmer weist einen abgeschlossenen Innenraum 15 auf, der die

Innenräume der Druckmesskammer 1 und des Druckmittlers 5 umfasst. Der Innenraum des Druckmittlers 5 setzt sich zusammen aus dem Innenraum der Kapillarleitung 9 und dem Innenraum der Druckempfangskammer 11. Dieser abgeschlossene Innenraum 15 ist mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit 17 gefüllt. Die Flüssigkeit 17 ist

vorzugsweise eine inkompressible Flüssigkeit mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. ein Silikonöl. Sie dient im Messbetrieb dazu einen außen auf die Trennmembran 7 einwirkenden Druck p _M auf den Drucksensor 3 zu übertragen.

[0073] Der Membranträger 11 weist ein Membranbett 16 auf, das vorzugsweise der Form der Trennmembran 7 nachempfunden ist. Membranbett 16 und Trennmembran 7 schließen die Druckempfangskammer 11 ein. Das Membranbett 16 dient dem Schutz der Trennmembran 7 vor überlasten. Wirkt auf die Trennmembran 5 ein Druck p _M ein, der eine vorgegebene Obergrenze übersteigt, so legt sich die Trennmembran 7 an das Membranbett 16 an und wird hierdurch vor bleibenden Verformungen oder Beschädigungen geschützt.

[0074] Es kann jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden, dass die Trennmembran 7 oder andere Komponenten des Druckmessaufnehmers, z.B. durch Alterungsprozesse oder durch mechanische Einwirkungen von außen beschädigt werden. Hierdurch kann der abgeschlossene Innenraum 15 undicht werden und es kann zu Leckagen kommen, bei denen Flüssigkeit 17 aus dem Innenraum 15 austritt. Besonders anfällig für solche Beschädigungen ist die Trennmembran 7. Leckagen können aber z.B. auch im Bereich der Anschlussstellen der Kapillarleitung 9, im Bereich von Durchführungen 19 für Anschlussleitungen 21 des Drucksensors 3 oder im Bereich einer für die Befüllung des abgeschlossenen Innenraums 15 mit der Flüssigkeit 17 vorgesehenen Befüllöffnung 23 auftreten. Ein Flüssigkeitsverlust führt zu einer Veränderung der Messeigenschaften des Druckmessaufnehmers, die je nach Menge der ausgetretenen Flüssigkeit zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit, zu erheblichen Messstörungen oder sogar zu Totalausfall des Messaufnehmers führen kann. Um damit verbundene Nachteile sowie gegebenenfalls daraus resultierende Gefahren für Mensch und Umwelt zu vermeiden, gilt es Flüssigkeitsverluste möglichst frühzeitig zu erkennen, um sicherheitsgerichtet reagieren zu können. Dies kann beispielsweise durch Wartung oder Austausch des Messaufnehmers geschehen.

[0075] Hierzu weist der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer eine Vorrichtung zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten auf. Kern dieser Vorrichtung ist ein in dem abgeschlossenen Innenraum angeordnetes Prüfelement 25, dessen im Innenraum 15 befindliches Außenvolumen zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten reduzierbar ist. Ein solches Prüfelement 25 lässt sich auf vielfältige Art und Weise realisieren. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Prüfelement 25 ein hier ringförmiges piezoelektrischen Element, dessen Volumen durch Anlegen einer

elektrischen Spannung reduzierbar ist.

[0076] In den Figuren 2 und 3 ist jeweils ein die Druckmesskammer 1 enthaltender Ausschnitt des Druckmessaufnehmers dargestellt, in dem zwei weitere Ausführungsbeispiele für Prüfelemente angeordnet sind. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Prüfelement handelt es sich um einen mikromechanischen Faltenbalg 25a, dessen Außenvolumen ebenfalls durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung reduzierbar ist. Dies ist durch einen Pfeil im Inneren des Faltenbalgs 25a symbolisch dargestellt.

[0077] Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Prüfelement einen in die Messkammer 1 hinein ragenden Kolben 25b, der beispielsweise mittels eines in Fig. 3 nicht dargestellten Schrittmotors ganz oder teilweise aus der Druckmesskammer 1 heraus geführt werden kann. Dies ist ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet. Dabei wird der Kolben 25b in eine an die -Druckmesskammer 1 angrenzende von dieser flüssigkeitsdicht abgetrennte Ausnehmung 27 eingeführt. Durch diese Bewegung reduziert sich das in der Druckmesskammer 1 befindliche Außenvolumen des Kolbens 25b.

[0078] Die maximal erzielbare Volumenreduktion AV _1112x des jeweiligen Prüfelements 25,

25a, bzw. 25b ist in Abhängigkeit von einem zwischen der Trennmembran 7 und deren Membranbett 16 in der Druckempfangskammer 11 im unbelasteten Zαstand eingeschlossenen Flüssigkeitsvolumen vorzugsweise so ausgelegt, dass die Trennmembran 7 an deren Membranbett 16 anliegt, wenn das Prüfelement 25 sein Minimalvolumen einnimmt.

[0079] Neben dem Prüfelement 25 umfasst die Vorrichtung eine Auswerteinheit 29, die während der Diagnose dazu dient, einen vom Drucksensor 3 gemessenen Druck p in Abhängigkeit von der Volumenreduzierung δV des Prüfelements 25 zu erfassen. Die Auswerteeinheit 29 ist beispielsweise in einer Messelektronik 30 des Druckmessaufnehmers integriert und über entsprechende Anschlussleitungen an den Drucksensor 3 und an das Prüfelement 25 angeschlossen. Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild hierzu. Dort ist die Auswerteeinheit 29 über eine Steuereinheit 31 an das Prüfelement 25 angeschlossen. Während der Diagnose sendet die Auswerteinheit 29 Steuersignale an die Steuereinheit 31, die dann wiederum eine elektrische Ansteuerung des Prüfelements 25 bewirkt, die eine dem Steuersignal entsprechende Volumenreduzierung δV des Prüfelements 25 bewirkt. Die Ansteuerung des Prüfelements 25 kann natürlich auch auf andere Weise, z.B. durch die Messelektronik 30, erfolgen. In dem Fall ist die Information über das aktuelle Außenvolumen des

Prüfelements 25 der Auswerteeinheit 29 beispielsweise über ein entsprechendes Ausgangssignal der steuernden Einheit zuzuführen.

[0080] Die eigentliche Diagnose erfolgt dann in der Auswerteinheit 29. Diese erkennt anhand des in Abhängigkeit von der Volumenreduzierung δV gemessenen Drucks p, ob Flüssigkeit ausgetreten ist. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Vergleich der während der Diagnose ausgeführten Messungen des Drucksensors 3 in Abhängigkeit der ausgeführten aktuellen Volumenreduktion δV des Prüfelements 25 mit entsprechenden Referenzmessungen. Anstelle der Volumenreduktion δV kann natürlich genauso gut das zugehörige im Innenraum 15 befindliche Außen volumen des Prüfelements 25 verwendet werden. Beide Größen sind über das Ausgangsvolumen V ₀ des Prüfelements 25 ineinander umrechenbar und damit gleichwertig.

[0081] Fig. 5 zeigt eine Referenzkennlinie K _R , eines intakten vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Druckmessaufnehmers, bei der der mit dem Drucksensor 3 aufgenommene Druck p in Abhängigkeit vom Volumen V des Prüfelements 25 dargestellt ist. Ausgangspunkt A der Kennlinie ist dabei das Ausgangsvolumen V ₀ des Prüfelements 25. Dort herrscht der Innendruck p ₀ . Ausgehend von diesem Ausgangspunkt A bewirkt eine kontinuierliche Reduktion des Volumens des Prüfelements 25 zunächst einen langsamen stetigen Abfall des gemessenen Drucks p in der Druckmesskammer 1, der im Wesentlichen proportional zum Außenvolumen V des Prüfelements 25 abnimmt. Durch den durch die Volumenreduktion erzeugten Unterdruck wird die Trennmembran 7 solange auf deren Membranbett 16 zu bewegt, bis sie an diesem anliegt. Dabei fließt Flüssigkeit aus der Druckempfangskammer 11 in die Druckmesskammer 1. In dem Moment, in dem sich die Trennmembran 7 ihrem Membranbett 16 nähert, erhöht sich die Federsteifigkeit der Trennmembran 7 sprunghaft. Dies führt dazu, dass eine weitere Absenkung des Außenvolumens des Prüfelements 25 zu einem drastischen nicht-linearen Abfall des gemessenen Drucks p in Abhängigkeit von der weiteren Reduktion des im Innenraum 15 befindlichen Außen volumen V des Prüfelements 25 führt. Aufgrund der drastischen Veränderung der Federsteifigkeit der Trennmembran 7 führt dies zu einem erheblich größeren Messeffekt, als der Messeffekt, der durch die im Stand der Technik beschriebene Ausdehnung des Außenvolumens erzielbar ist. Dort wird die Trennmembran nach außen vom Membranbett weg bewegt. Dabei treten keine drastischen Veränderungen des übertragungsverhaltens ein.

[0082] Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist in Fig. 5 durch den Messpunkt B angegeben, an dem bei einem Außenvolumen V _k des Prüfelements 25 der Druck p _k herrscht. Die am Messpunkt B vorliegende Volumenreduktion δV _R := V ₀ - V _k von

dem Ausgangsvolumen V ₀ auf das Volumen V _k ist abhängig von dem unter der Trennmembran 7 im unbelasteten Zαstand eingeschlossene Volumen und kann im Rahmen der nachfolgend näher erläuterten Diagnose zur Quantifizierung eines gegebenenfalls vorliegenden Flüssigkeitsverlustes herangezogen werden.

[0083] Mit dem erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer sind verschiedene Verfahren zur Diagnose von Flüssigkeitsverlusten ausführbar.

[0084] Gemäß einem ersten Verfahren wird das Volumen V ausgehend von dem

Ausgangsvolumen V ₀ des Prüfelements 25 solange reduziert wird, bis entweder der zuvor beschriebene nicht- lineare Abfall des gemessenen Drucks p in Abhängigkeit von dem Volumen V des Prüfelements 25 auftritt, oder bis eine Obergrenze für die Volumenreduktion, z.B. die maximal mögliche Volumenreduktion δV _max , erreicht wird. Das Auftreten eines nicht-linearen Abfalls wird von der Auswerteinheit 29 überwacht. Dies geschieht beispielsweise durch entsprechende Auswertealgorithmen, die die Steigung

[0085] der jeweils aufgenommenen Diagnose-Kennlinien K _x in Abhängigkeit von der zugehörigen Volumenreduktion δV _X berechnen und diese mit der Steigung an einem vorangehenden Messpunkt oder mit einem vorgegebenen Referenzsteigung vergleichen. Tritt ein nicht-linearer Abfall auf, so wird die zugehörige Volumenreduktion δV _X am zugehörigen Messpunkt B _x mit einem bei intaktem Druckmessaufnehmer aufgezeichneten Referenzwert R verglichen, und es wird ein gegebenenfalls eingetretener Flüssigkeitsverlust L _x anhand einer Differenz der zugehörigen Volumenreduktion δV _X und des Referenzwertes R quantifiziert. Der eingetretene Flüssigkeitsverlust L _x entspricht der Differenz der zugehörigen Volumenreduktion δV _X und des Referenzwertes R.

[0086] Die Volumenreduktion δV kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Die entsprechenden Messpunkte bzw. Messkurven werden in der Auswerteeinheit 29 ausgewertet. Hierzu weist die Auswerteeinheit 29 vorzugsweise einen Mikroprozessor 33 auf, in dem in einem Speicher 35 abgelegte Auswertungsalgorithmen ausgeführt werden. Werden nur vereinzelte Messpunkte der jeweiligen Diagnose-Kennlinie K bestimmt, so kann die Genauigkeit der Bestimmung der relevanten Volumenreduktion δV bzw. des jeweiligen Messpunktes B durch Interpolation weiter verbessert werden.

[0087] Fig. 6 zeigt entsprechende Diagnose-Kennlinien. Als Beispiel wurde ein

Druckmessaufnehmer gewählt, bei dem sich im unbelastet vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Zαstand ein Flüssigkeitsvolumen von 300 mm ³ in der Druckempfangskammer 11 unter der Trennmembran 7 befindet.

[0088]

[0089] Die Diagnose-Kennlinie K _R entspricht der in Fig. 5 dargestellten Referenzkennlinie K _R des intakten vollständig gefüllten Druckmessaufnehmers. Die Diagnose- Kennlinie K _R weist zwischen den Messpunkten A und B den bereits beschriebenen linearen Verlauf auf. Am Messpunkt B befindet sich die Trennmembran 7 so dicht an ihrem Membranbett 16, dass deren Steifigkeit drastisch ansteigt. Eine weitere Reduktion des Außenvolumens unter das zugehörige Volumen V _k führt zu dem drastischen Druckabfall. Die zugehörige Volumenreduktion δV _R = V ₀ - V _k beträgt bei dem angegebenen Zahlenbeispiel 260 mm ³ und bildet den Referenzwert R für die Quantifizierung von gegebenenfalls eingetretenen Flüssigkeitsverlusten L. Die Koordinaten des Messpunkts B können z.B. durch eine Auswertung der Steigung der Diagnose-Kennlinie K _R von der Auswerteeinheit 29 bestimmt werden.

[0090] Die zweite Diagnose-Kennlinie K2 wurde mit dem gleichen Druckmessaufnehmer aufgezeichnet, bei dem ein Flüssigkeitsverlust einer Flüssigkeitsmenge L2 stattgefunden hat. Auch hier beginnt die Diagnose-Kennlinie K2 am Startpunkt A, an dem das Prüfelement 25 das Ausgangsvolumen V ₀ aufweist und in der Druckmesskammer 1 der Druck p ₀ herrscht. Aufgrund des Flüssigkeitsverlustes L2 nähert sich Trennmembran 7 durch die Reduktion des Volumens des Prüfelements 25 jedoch bereits viel frührer ihrem Membranbett 16. Der entsprechende durch die Auswerteeinheit 29 zu ermittelnde Messpunkt B2, an dem die Diagnose- Kennlinie K2 nicht mehr linear verläuft, wird daher schon bei einem Volumen V2 erreicht. Die zugehörige Volumenreduktion δV ₂ = V ₀ - V2 beträgt bei dem angegebenen Zahlenbeispiel 210 mm ³ . Die Differenz zwischen dieser Volumenreduktion δV ₂ und dem Referenzwert R beträgt hier 50 mm ³ und ist ein Maß für den Flüssigkeitsverlust L2. Das gleiche Ergebnis erhält man natürlich, wenn man das Volumen V _k am Messpunkt B der Referenzkennlinie als Referenzwert R' heranzieht und die Differenz zwischen diesem Referenzwert R' und dem Volumen V2 des Prüfelements 25 am Messpunkt B2 bestimmt.

[0091] Die dritte Diagnose-Kennlinie K3 wurde mit dem gleichen Druckmessaufnehmer aufgezeichnet, bei dem ein Flüssigkeitsverlust L3 stattgefunden hat, der größer als der Flüssigkeitsverlust L2 ist. Auch hier beginnt die Diagnose- Kennlinie K3 am Startpunkt A, an dem das Prüfelement 25 das Ausgangsvolumen V ₀ aufweist und in der Druckmesskammer der Druck p ₀ herrscht. Aufgrund des vergrößerten Flüssigkeitsverlustes nähert sich Trennmembran 7 durch die Reduktion des Volumens des Prüfelements 25 jetzt noch frührer ihrem Membranbett 16. Der entsprechende

durch die Auswerteeinheit 29 zu ermittelnde Messpunkt B 3, an dem die Diagnose- Kennlinie K3 nicht mehr linear verläuft, wird daher schon bei einem Volumen V3 erreicht. Die zugehörige Volumenreduktion δV ₃ = V ₀ - V3 beträgt bei dem angegebenen Zahlenbeispiel 160 mm ³ . Die Differenz zwischen dieser Volumenreduktion δV ₃ und dem Referenzwert R beträgt hier 100 mm ³ und ist ein Maß für die verlorene Flüssigkeits menge L3. Das gleiche Ergebnis erhält man natürlich, wenn man das Volumen V _k am Messpunkt B der Referenzkennlinie als Referenzwert R' heranzieht und die Differenz zwischen diesem Referenzwert R' und dem Volumen V3 des Prüfelements 25 am Messpunkt B3 bestimmt.

[0092] Die vierte Diagnose- Kennlinie K4 wurde mit dem gleichen Druckmessaufnehmer aufgezeichnet, wobei der Druckmessaufnehmer so stark beschädigt wurde, dass ein Druckausgleich mit der Umgebung erfolgt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Trennmembran 7 einen Riss oder ein Loch aufweist. In diesem Fall bewirkt die Volumenreduktion des Prüfelements 25 keine Druckabsenkung in der Druckmesskammer 15. Der mit dem Drucksensor 3 aufgenommene Druck p bleibt konstant. Die Diagnose-Kennlinie K4 weist keinen Bereich mehr auf, in dem der gemessene Druck p in Abhängigkeit vom Volumen V des Prüfelements 25 nicht-linear verläuft. In diesem Fall wird das Diagnoseverfahren solange fortgeführt, bis eine vorgegebene Obergrenze, hier AV _1112x , für die Volumenreduktion erreicht wird und danach abgebrochen. Als Obergrenze kann alternativ auch die am Messpunkt B der Referenzkennlinie vorliegende Volumenreduktion δV _R verwendet werden.

[0093] Vorzugsweise wird dieses Diagnoseverfahren wiederkehrend ausgeführt, und es wird ein zeitlicher Verlauf der gegebenenfalls eingetretenen Flüssigkeitsverluste L bestimmt. Anhand dieses zeitlichen Verlaufs werden dann Vorhersagen über die Zuverlässigkeit des Druckmessaufnehmers, dessen zu erwartende Lebensdauer und/ oder einen Wartungs- oder Austauschbedarf abgeleitet. Dies kann auf sehr vielfältige an die jeweiligen Bedingungen und Anforderungen am Einsatzort angepasste Weise erfolgen. Bei Anwendungen, bei denen jeglicher Flüssigkeitsaustritt zu vermeiden ist, wird auch ein noch so kleiner diagnostizierter Flüssigkeitsverlust dazu verwendet, einen Alarm und/oder einen sofortigen Austausch des Druckmessaufnehmers auslösen. Bei anderen Anwendungen kann beispielsweise eine Obergrenze für den Flüssigkeitsverlust L vorgegeben werden. Wird diese Obergrenze erreicht, so meldet der Druckmessaufnehmer einen Wartungs- bzw. Austauschbedarf oder löst einen Alarm aus. Zusätzlich kann vor dem erreichen dieser Obergrenze anhand der zeitlichen Entwicklung der eingetretenen Flüssigkeitsverluste L die verbleibende Lebensdauer,

z.B. die bis zum Erreichen der Obergrenze voraussichtlich verbleibende Zeit, abgeschätzt werden, und vom Druckmessaufnehmer ausgegeben werden.

[0094] Alternativ zu den zuvor beschriebenen Verfahren, bei denen das Außenvolumen schrittweise oder kontinuierlich reduziert wird, und entsprechende Diagnose- Kennlinien aufgezeichnet werden, sind mit dem erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer auch Diagnoseverfahren ausführbar, bei denen jeweils nur ein einziger Messpunkt P aufgenommen wird. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu. Dabei wird das im Innenraum 15 befindliche Volumen V des Prüfelements 25 auf ein vorgegebenes Testvolumen V _x reduziert und es wird der zugehörige mit dem Drucksensor 3 gemessene Druck p _τ erfasst. Nachfolgend wird der gemessene Druck p _τ mit einem vorgegebenen Referenzdruck p _R verglichen, und anhand dieses Vergleichs festgestellt, ob ein Flüssigkeitsverlust L vorliegt. Als Referenzdruck p _R wird vorzugsweise der bei erreichen des Testvolumens V _x vorliegende Druck p(V _τ ) der Referenzkennlinie K _R verwendet. Liegt der bei Erreichen des Testvolumens V _x gemessene Druck p _τ oberhalb des Referenzdrucks p _R so hat ein Druckausgleich mit der Umgebung stattgefunden. Dies ist in dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel beim Messpunkt Pl der Fall. Ist der gemessene Druck p ungefähr gleich dem Referenzdruck p _R , so kann davon ausgegangen werden, dass der Druckmessaufnehmer einwandfrei arbeitet. Dies ist in Fig. 7 durch den Messpunkt P2 dargestellt. Liegt der gemessene Druck p unterhalb des Referenzdrucks p _R so hat ein Flüssigkeitsverlust L stattgefunden. Dies ist in Fig. 7 durch den Messpunkt P3 dargestellt.

[0095] Entsprechend den obigen Ausführungen diagnostiziert die Auswerteeinheit 29 einen Flüssigkeitsverlust L, wenn der gemessene Druck p(V _τ ) geringer als der Referenzwert p _R ist. Zusätzlich kann ein auf diese Weise diagnostizierter Flüssigkeitsverlust L anhand der Differenz zwischen dem gemessenen Druck p(V _τ ) und dem Referenz wert p R quantifiziert werden. Hierzu können beispielsweise Referenzmessungen herangezogen werden, bei denen bei vorgegebenen Flüssigkeitsverlusten die jeweilige Differenz zwischen dem gemessenen Druck p(V _τ ) und dem Referenzwert p _R bestimmt wird. Alternativ kann der Flüssigkeitsverlust L durch einen Vergleich der vorliegenden Differenz mit den entsprechenden Differenzen, die sich aus den anhand von Fig. 6 beschriebenen Kennlinien ergeben, quantifiziert oder abgeschätzt werden.

[0096] Ist der gemessen Druck p(V _τ ) größer als der Referenzdruck p _τ , so diagnostiziert die Auswerteeinheit 29 eine Beschädigung des Druckmessaufnehmers, die zu einem Druckausgleich mit der Umgebung führt.

[0097] Die Auswahl des Testvolumen V _τ wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von der

Größe der zu diagnostizierenden Flüssigkeitsverluste L getroffen. Bei Anwendungen bei denen lediglich das auftreten eines großen Flüssigkeitsverlustes L festgestellt werden soll, z.B. ein Flüssigkeitsverlust, der eine erhebliche Beeinträchtigung der Messgenauigkeit zur Folge hat, kann ein verhältnismäßig großes Testvolumen V _τ bzw. eine dementsprechend geringe Volumenreduktion δV _τ = V ₀ - V _τ des Prüfelements 25 vorgegeben werden. Die Wahl des Testvolumens V _x kann beispielsweise anhand der in Fig. 6 dargestellten Diagnose- Kennlinien K getroffen werden. Soll beispielsweise ein Flüssigkeitsverlust L festgestellt werden, der größer oder gleich 100 mm ³ ist, so muss ein Testvolumen V _x gewählt werden, dass in den nicht-linearen Bereich der Diagnose- Kennlinie K3 fällt; V _x muss also kleiner als V3 sein.

[0098] Soll beispielsweise ein Flüssigkeitsverlust L festgestellt werden, der größer oder gleich 50 mm ³ ist, so muss ein Testvolumen V _x gewählt werden, dass in den nichtlinearen Bereich der Diagnose-Kennlinie K2 fällt; V _x muss also kleiner als V2 sein.

[0099] Sollen bereits minimale Flüssigkeitsverluste L festgestellt werden, so muss ein Testvolumen V _x gewählt werden, dass kleiner oder gleich dem Volumen V _k des Prüfelements 25 am Messpunkt B der Referenzkennlinie K _R ist.

[0100] überschreitet der Flüssigkeitsverlust L den mit dem jeweiligen Testvolumen V _x erfassbaren Flüssigkeitsverlust, so befindet sich der zugehörige Messpunkt P im nichtlinearen Bereich der zugehörigen Diagnose-Kennlinie K. Es tritt damit eine sehr deutliche Abweichung von dem jeweiligen Referenzdruck p _R auf, die umso größer ist, je weiter der Flüssigkeitsverlust L den erfassbaren Flüssigkeitsverlust überschreitet. Nimmt man den kleinsten erfassbaren Flüssigkeitsverlust als Bezugsgröße an, so ist die Größe der Abweichung zwischen dem jeweiligen Referenzdruck p _R und dem bei Erreichen des Testvolumens V _x gemessenen Druck ein Maß für die Größe des Flüssigkeitsverlustes L. überschreitet der Flüssigkeitsverlust L den mit dem jeweiligen Testvolumen V _x erfassbaren Flüssigkeitsverlust, so ist auch hier durch einen entsprechenden Vergleich mit einer oder mehreren Referenzkennlinien oder -werten eine Quantifizierung des Flüssigkeitsverlustes L möglich.

[0101] Auch hier werden die Diagnosen vorzugsweise wiederkehrend ausgeführt, und es wird ein zeitlicher Verlauf der gegebenenfalls eingetretenen Flüssigkeitsverluste bestimmt, anhand dessen Vorhersagen über die Zuverlässigkeit des Messaufnehmers, dessen zu erwartende Lebensdauer und/oder einen Wartungs- oder Austauschbedarf abgeleitet werden.

[0102] Selbstverständlich ist das zuletzt genannte Verfahren auch auf mehrere verschiedene Testvolumen V _x erweiterbar.

[0103] Tabelle 1

[0104]