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. Verfahren zum Kalibrieren eines Druckmessumformers (1) zur Prozessinstrumentierung, wobei der Druckmessumformer (1) ver- sehen ist mit einem auf einer Membran (3) angeordneten Sensorelement (2) zur Erfassung einer physikalischen Größe (P) und zur Erzeugung eines die physikalische Größe (P) repräsentierenden Messsignals (U) und mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der physikalischen Größe (P) in Abhängigkeit des Messsignals (U) , dadurch gekennzeichnet, dass - in einer Werkseinstellung ein Heizelement (6) der Membran (3) beheizt und das Messsignal (U) für unterschiedliche Temperaturen (T) erfasst wird und - in einer Kalibrierphase des Druckmessumformers (1) das Heizelement (6) der Membran (3) beheizt wird und das Messsignal (U) für die unterschiedlichen Temperaturen (T) erfasst und mit dem in der Werkseinstellung erfassten Messsignal (U) verglichen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors des Druckmessumformers die Temperaturen (T) erfasst werden. 3. Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung, mit einem auf einer Membran (3) angeordneten Sensorelement (2) zur Erfassung einer physikalischen Größe (P) und zur Erzeugung eines die physikalische Größe (P) repräsentierenden Messsignals (U) , mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der physikalischen Größe (P) in Abhängigkeit des Messsignals (U) , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) mit einem Heizelement (6) versehen ist, wobei - in der Auswerteeinheit eine im Rahmen einer Werkseinstellung aufgezeichnete Kennlinie hinterlegt ist, welche die Abhängigkeit des Messsignals (U) von unterschiedlichen Temperaturen (T) anzeigt, und - die Auswerteeinheit in einer Kalibrierphase das Messsignal (U) für die unterschiedlichen Temperaturen (T) erfasst und mit dem in der Werkseinstellung erfassten Messsignal (U) vergleicht . 4. Druckmessumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (6) in einer Ausnehmung (7) der Membran (3) dem Sensorelement (2) gegenüberliegend oder dass das Heizelement (6) auf der Membranoberfläche angeordnet ist. 5. Druckmessumformer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Druckmessumformer (1) einen Temperatursensor aufweist. |
Verfahren zum Kalibrieren eines Druckmessumformers sowie Druckmessumformer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Druckmessumformers zur Prozessinstrumentierung, wobei der Druckmessumformer versehen ist mit einem auf einer Membran angeordneten Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe und zur Erzeugung eines die physikalische Größe repräsentierenden Messsignals und mit einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der physikalischen Größe in Abhängigkeit des Messsignals. Ferner betrifft die Erfindung einen Druckmessumformer, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchfluss- menge, 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 Anlagenverhalten 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 zur Prozessinstrumentierung in Form eines Druckmessgerätes bekannt. Dieser Messumformer weist ein auf einer Membran angeordnetes Sensorelement zur Erfassung eines Druckes und zur Erzeugung eines diesen Druck repräsentieren- den Messsignals auf, wobei eine Auswerteeinheit den Druck in Abhängigkeit des Messsignals bestimmt. Mit anderen Worten: Der Druckmessumformer weist einen Sensor auf, dessen Membran sich infolge des einwirkenden Druckes dehnt. Diese Dehnung repräsentiert den einwirkenden Druck, der in ein Messsignal gewandelt wird, wobei eine Auswerteeinheit den Druck 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 Druck mit einem Referenzdruck verglichen, wobei ein den Druck repräsentierendes Messsignal ausgewertet wird. Dieses Messsignal erzeugen gewöhnlich materialspannungsabhängige, piezoresistive Wider- stände mit einer geeigneten Wheatstone-Brückenschaltung. Nachteilig ist, dass über längere Zeiträume aufgrund von Alterungseffekten der Druckwiderstände bzw. der piezoresisti- ven Widerstände und/oder aufgrund von „Ausgasungen" in einem diese Widerstände umgebenden Öl, welches zur Druckübertragung vorgesehen ist, die Messergebnisse den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügen und daher Rekalibrierungsmaßnahmen erforderlich sind. Diese Maßnahmen sind aufwendig, wobei gewöhnlich der Messumformer von der Anlage abgetrennt und im Werk bzw. im Labor kalibriert werden muss.
Aus der EP 1 826 544 A2 ist bekannt, zum Kalibrieren einen Elektromagneten einzusetzen, der auf einen auf einem drucksensiblen Sensorelement aufliegenden Bewegungskörper einwirkt. Wird der elektrische Strom des Elektromagneten er- höht, ohne dass sich ein Messsignal verändert, so kann der Bewegungskörper nicht mehr mit dem Sensorelement in Kontakt sein. Es wirkt kein Druck auf das Sensorelement und an einer Wheatstone-Brücke kann eine Kalibrierspannung abgegriffen werden .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die Kalibrierung eines Druckmessumformers vereinfacht wird. Darüber hinaus ist ein Druckmessumformer zu schaffen, welcher zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Im Hinblick auf das Verfahren wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen, im Hinblick auf den Druckmessumformer durch die im Anspruch 3 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Die Erfindung geht von der Idee aus, dass der Längenausdeh- nungskoeffizient des Sensormaterials (Silizium) dauerhaft konstant ist. Eine Temperaturerhöhung im Heizelement bewirkt eine erhöhte Durchbiegung bzw. Auslenkung der Membran, wobei das Heizelement so gestaltet bzw. ausgebildet ist, dass die Amplitude der Membranauslenkung im Wesentlichen der eines zu messenden Drucks (Systemdruck) entspricht. In einer Werkseinstellung, während der kein Systemdruck am Sensorelement wirkt, wird das Heizelement der Membran beheizt und für unterschiedliche Temperaturen, welche unterschiedliche Membranauslenkungen und somit unterschiedliche Auslenkungen des Sensorelementes bewirken, das Messsignal erfasst. Die
Abhängigkeit des Messsignals von der Temperatur wird in einer Kennlinie in der Auswerteeinheit hinterlegt und kann jederzeit für eine Kalibrierung des Messumformers genutzt werden. Dadurch, dass die wiederholte Durchbiegung einer beispiels- weise mikromechanischen Siliziummembran bzw. deren Verformung keinem Alterungsprozess unterliegt, sind zu einem späteren Zeitpunkt erfasste Abweichungen von der Sensorkennlinie z. B. auf Alterungseffekte des Sensorelements bzw. der piezoresis- tiven Widerstände und/oder auf „Ausgasungen" in einem diese Widerstände umgebenden Öl zurückzuführen. Abweichungen dieser „fehlerhaften" Messergebnisse von den in der Werkseinstellung erfassten Messergebnissen können mittels der in der Werkseinstellung aufgezeichneten Kennlinie erkannt werden. Dazu wird zu einem späteren Zeitpunkt während einer Kalibrierphase die während der Werkseinstellung vorgenommene Messung erneut durchgeführt und die Messergebnisse werden mit den in der Kennlinie hinterlegten Ergebnissen verglichen. Für den Fall, dass Abweichungen erkannt werden, können entsprechende Justiermaßnahmen vorgesehen werden.
Durch eine Integration des Heizelementes in den Druckmess- umformer braucht dieser nicht mehr „langzeitstabil" ausgelegt zu werden, eine Kalibrierung bzw. Rekalibrierung lässt sich automatisch zyklisch oder zu vorgebbaren Zeiten bewerkstelligen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht ist, werden im Folgenden die Erfin- düng, deren Ausgestaltungen sowie Vorteile näher erläutert.
Es zeigen:
Figuren 1 und 2 vereinfachte schematische Schnittdarstellungen von Bestandteilen eines Druckmessumfor- mers und
Figuren 3 bis 6 Kennlinien eines Druckmessumformers.
Die in den Figuren dargestellten gleichen Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist mit 1 ein Druckmessumformer bezeichnet, welcher ein Druck-Sensorelement, z. B. ein Sensorelement in Form von vier Piezowiderständen 2, eine im Wesentlichen planare, quadratische Sensormembran 3, beispielsweise eine Sensor- membran in Form einer Siliziummembran, ein Volumen 4 mit konstantem Bezugsdruck (Vakuum) sowie einen nicht verformbaren Membranträger 5 und ein Heizelement 6 aufweist. Das Druck-Sensorelement erfasst die Membranspannung bzw. Membranverformung und kann dadurch den Druck bestimmen, welcher auf der Sensormembran wirkt, wobei die vier Piezowiderstände 2 als Wheatstone-Brücke verschaltet sind, deren Brückenspannung einer hier nicht dargestellten Auswerteeinheit übermittelt wird. Das Heizelement 6 ist zur Kalibrierung des Druckmess- Umformers 1 vorgesehen und in einer Ausnehmung 7 der Membran 3 den Piezowiderständen 2 gegenüberliegend angeordnet. Anstatt in der Ausnehmung 7 kann das Heizelement 6 auch direkt auf die Membranoberfläche aufgebracht werden. Wird dem Heiz- element 6 z. B. durch die Auswerteeinheit elektrische Leistung zugeführt, erwärmt sich dieses, wodurch die Membran 3 sich verformt, wobei eine Auslenkung z (Figur 2) der Membran 3 einem Druck entspricht, welcher z. B. im Rahmen eines zu steuernden technischen Prozesses erfassbar ist.
Um den Messumformer 1 zyklisch oder nach vorgebbaren Zeitabständen zu kalibrieren, wird zunächst in einer Werkseinstellung eine Kennlinie aufgezeichnet, welche die Abhängigkeit des Messsignals in Form der Brückenspannung von der Temperatur der Membran 3 anzeigt, wobei die Temperatur mittels eines auf der Membran 3 angeordneten, hier nicht dargestellten Temperatursensors erfasst wird. Während dieser Aufzeichnung lastet kein Druck auf der Membran 3.
In diesem Zusammenhang wird auf die Figuren 3 und 4 verwiesen, in welchen Kennlinien dargestellt sind, die den Zusammenhang zwischen Temperatur T der Membran 3 und erfasster Brückenspannung verdeutlichen. Figur 3 zeigt auf der Basis von konstanten Längenausdehnungskoeffizienten mit der Einheit l/K die Abhängigkeit einer Membranauslenkung Δz (Einheit:
Mikrometer pro Kelvin) von der Temperatur T (Einheit: Kelvin) und Figur 4 die Abhängigkeit einer Brückenspannung U von der Membranauslenkung Δz . Die Abhängigkeit der Membranauslenkung Δz von der Temperatur T unterliegt keinem Alterungsprozess, dagegen unterliegt die Abhängigkeit der Brückenspannung U von der Membranauslenkung Δz einem Alterungsprozess, was bedeutet, dass sich die den Membranauslenkungen Δzl, Δz2, Δz3 f ... zugeordneten Brückenspannungen Ua, Ub, Uc, ... mit zunehmender Lebensdauer des Messumformers ändern. Die Beziehun- gen Temperatur T und Membranauslenkung Δz (alterungsunabhängig) sowie Brückenspannung U und Membranauslenkung Δz (alterungsabhängig) verdeutlichen, dass - wie im Folgenden erläutert wird - zur Kalibrierung die Aufzeichnung der Abhängig- keit der Brückenspannung U von der Temperatur (Figur 5) genutzt werden kann.
Es wird angenommen, dass für einen Druckmessumformer im Rah- men einer Werkskalibrierung für Temperaturen Tl, T2, T3, ... Brückenspannungen Ul, U2, U3, ... aufgezeichnet und in der Auswerteeinheit als Werks-Kalibrierkennlinie 8 hinterlegt werden. Im Rahmen einer weiteren Kalibrier- bzw. Rekalibrier- phase, d. h. in einem weiteren Kalibrierfall, wird für diesen Messumformer vor Ort, d. h. am Einsatzplatz des Messumformers in der zu steuernden technischen Anlage, eine weitere Kalibrierkennlinie 9 für die Temperaturen Tl, T2, T3, ... aufgezeichnet. Dazu wird dem Heizelement des Messumformers eine den jeweiligen Temperaturen Tl, T2, T3, ... entsprechende elektrische Leistung zugeführt, aufgrund dessen die Membran des Messumformers sich auf die Temperaturen Tl, T2, T3, ... erwärmt, wobei zur Kontrolle korrekt eingestellter Temperaturen diese Temperaturen Tl, T2, T3, ... durch den Temperatursensor erfasst und der Auswerteeinheit des Messumformers übermittelt werden. Ferner erfasst die Auswerteeinheit Brückenspannungen Ul', U2', U3', ..., welche die Auswerteeinheit mit den bei diesen Temperaturen Tl, T2, T3, ... ermittelten Brückenspannungen Ul, U2, U3, ... der Werks-Kalibrierkennlinie 8 vergleicht. Die Auswerteeinheit ermittelt die Abwei- chungen zwischen den Brückenspannungen Ul und Ul' , U2 und
U2', ... und berücksichtigt diese Abweichungen im Rahmen von Druckmessungen, während deren das Sensorelement des Messumformers der Auswerteeinheit den erfassten Drücken entsprechende Brückenspannungen übermittelt. Es wird dazu auf Fi- gur 6 verwiesen, in welcher die Abhängigkeit des angezeigten Druckes von der Brückenspannung dargestellt ist. Für den Fall, dass der Auswerteeinheit die Brückenspannung Ul vom Sensorelement übermittelt wird, zeigt diese einem Anwender auf einer Anzeigeeinheit des Messumformers nicht einen dieser Brückenspannung zugeordneten Druck Pl, sondern einen der Brückenspannung Ul' zugeordneten Druck Pl' an. Entsprechend werden für den Fall, dass die Brückenspannungen U2, U3, ... im Rahmen der Druckmessungen ermittelt werden, nicht diesen Brü- ckenspannungen U2, U3, ... zugeordnete Drücke P2, P3, ... angezeigt, sondern den Brückenspannungen Ul', U2', U3' , ... zu ¬ geordnete Drücke Pl', P2', P3'