Die Erfindung betrifft einen Messumformer zur Prozessinstru- mentierung mit einem Sensor zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Diagnose des Messumformers 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, z. B. Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Mithilfe eines Sensors, der häufig zu einer Wheatstone-Brücke verschaltete Messwiderstände aufweist, die auf einem planaren Substrat aufgebracht sind, wird die physikalische oder chemi ^¬ sche Größe in ein elektrisches Messsignal umgewandelt. Dieses Substrat dient dann als mechanische Befestigung des empfind- liehen Sensors auf einem Träger und zudem als Schutz gegen äußere Einflüsse, beispielsweise zur Verbesserung der elekt ^¬ romagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere bei piezoresis- tiven Drucksensoren besteht eine Möglichkeit zum Aufbringen von Messwiderständen des Sensors auf das Substrat darin, diese Widerstände im Substrat einzubetten und das Substrat in der Nähe dieser Widerstände zu dotieren, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen den Widerständen und dem Substrat besteht. Ein PN-Übergang nach Art einer Diode sorgt bei geeig ^¬ netem Anlegen einer Spannung für eine elektrische Trennung der Widerstände vom 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 Messwiderstände eines Sensors zur Erzeugung eines Messsignals trägt, auf Veränderungen durch chemische Kontami- nation überwacht wird. Zusätzlich werden die Messwiderstände und ihre Anschlussleitungen auf Bruch, d. h. auf elektrische Unterbrechung, überwacht. Die Detektion eines Sensorbruchs kann beispielsweise über eine Messung der Stromaufnahme der zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Messwiderstände er- folgen. Eine Erkennung einer Fehlfunktion eines Analog-Digital-Umsetzers, der zur Weiterverarbeitung das analoge Mess ^¬ signal in ein digitales Messsignal in Form einer zeitlichen Folge von Digitalwerten wandelt, wird nicht beschrieben.

Da in immer mehr Anwendungen von Messumformern eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Messung physikalischer oder chemischer Größen gefordert wird, welche durch entsprechende Zer ^¬ tifizierungen, z. B. nach IEC 61508, zu bestätigen ist, kann jedoch immer seltener auf eine Überwachung des Analog-Digital-Umsetzers auf Fehlfunktion verzichtet werden. Zur Erkennung einer Fehlfunktion des Analog-Digital-Umsetzers könnte beispielsweise ein zweiter Umsetzer dem ersten parallel geschaltet werden, sodass eine Fehlfunktion anhand eines einfa ^¬ chen Vergleichs der durch die beiden Umsetzer erzeugten digitalen Messsignale detektiert werden könnte. In nachteiliger Weise wäre die Verwendung eines zweiten Analog-Digital-Umset ^¬ zers jedoch mit einer deutlichen Erhöhung der Stromaufnahme und des Bauelementeaufwands für den Messumformer verbunden. Zudem würde der zusätzliche Umsetzer den Platzbedarf der An- steuer- und Auswerteeinrichtung auf einer Elektronikplatine erhöhen und es wären evtl. zusätzliche Maßnahmen zur Filte ^¬ rung analoger und digitaler Messsignale erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, bei welchem Fehlfunktionen des Analog-Digital-Umsetzers mit vergleichsweise einfachen Mitteln und dennoch zuverlässig detektierbar sind. 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 Ansprü ^¬ chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 6 ein Diagnoseverfahren beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass in besonders einfacher Weise und mit geringem Aufwand ein Analog-Digital-Umsetzer, der in einem Messumformer zur Wandlung eines analogen Mess- signals in ein digitales Messsignal vorgesehen ist, auf kor ^¬ rekte Funktion überwacht werden kann. Dabei werden die oben genannten Nachteile einer redundanten Auslegung der Analog- Digital-Wandlung durch Verwendung eines zweiten Analog-Digital-Umsetzers, welcher dem ersten parallel geschaltet ist, vermieden. Insbesondere wird bei der neuartigen Diagnose des Umsetzers die Stromaufnahme des Messumformers allenfalls un ^¬ wesentlich erhöht und es ist kein weiterer, mit hohen Kosten verbundener Analog-Digital-Umsetzer erforderlich. Da für die Diagnose des Analog-Digital-Umsetzers lediglich ein oder zwei zusätzliche Widerstände und Schalter benötigt werden, ist der zusätzliche Schaltungsaufwand und Platzbedarf für die Reali ^¬ sierung der Erfindung vergleichsweise gering.

Weiterhin ist die vergleichsweise einfache Verarbeitung der bei den verschiedenen Schalterstellungen erfassten digitalen Messsignale von Vorteil, da diese nur einen geringen Teil der im Messumformer vorhandenen Rechenleistung beansprucht. Zur Auswertung sind nämlich lediglich einfache Rechen- und Vergleichsoperationen durchzuführen .

Bei Auftreten eines Fehlers des Analog-Digital-Umsetzers, der beispielsweise erkannt wird, wenn Abweichungen zwischen den jeweils in verschiedenen Schaltzuständen erfassten digitalen Messsignalen einen zulässigen Toleranzbereich verlassen, gibt der Messumformer eine Fehlermeldung aus und ein Prozess, in welchem der Messumformer eingesetzt wird, kann ggf. in einen sicheren Zustand gebracht werden. Damit wird der Anteil von möglichen Fehlern, die in einen sicheren Zustand führen, die sogenannte „Safe-Failure-Fraction (SFF)" erhöht.

Zur Diagnose des Analog-Digital-Umsetzers genügt es bereits, an lediglich einem Spannungsteiler der Wheatstone-Brücke eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Schalter vorzusehen, durch welche der Mittenabgriff des Spannungsteilers zeitweise mit einem vorbestimmten Bezugspotential verbindbar ist. Durch Auswertung der sich dabei einstellenden digitalen Messsignale kann zusätzlich ein möglicher Sensorbruch im

Bereich des betreffenden Spannungsteilers oder ein Reißen der Bonding-Drähte festgestellt werden. Zur weiteren Erhöhung der Safe-Failure-Fraction ist es von Vorteil, eine entsprechende Reihenschaltung zudem am anderen Spannungsteiler der Wheat- stone-Brücke anzuordnen. Dadurch können der Analog-Digital- Umsetzer und der Zustand des vollständigen Sensors auf Fehler, beispielsweise Sensorbruch oder Reißen der Bonding- Drähte an den Brückenausgängen, überwacht werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist Massepotential des Messumformers als Bezugspotential vor ^¬ bestimmt, mit welchem der Mittenabgriff des Spannungsteilers der Wheatstone-Brücke durch die Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Schalter verbindbar ist. Der Wert des Wi- derstands wird vorteilhaft so gewählt, dass er etwa das Zehn- bis Hundertfache des Werts eines in der Brücke verschalteten Messwiderstands beträgt. Hat ein Messwiderstand beispiels ^¬ weise den Wert 6 kOhm, sollte somit der Wert des in der Rei ^¬ henschaltung verwendeten Widerstands zwischen etwa 60 kOhm und 600 kOhm, vorzugsweise zwischen 100 kOhm und 600 kOhm, betragen. Das hat den Vorteil, dass die relativen Abweichungen der in den verschiedenen Schaltzuständen jeweils ermittelten digitalen Messsignale im Bereich einiger Prozente liegen und damit leicht zur Diagnose auswertbar sind.

Anhand der in einem praktischen Ausführungsbeispiel verwende ^¬ ten Widerstände kann in einfacher Weise berechnet werden, welche Sprunghöhen der digitalen Messwerte bei Schaltvorgän- gen im fehlerfreien Zustand zu erwarten sind. Die Diagnose ^¬ auswertung gestaltet sich besonders einfach und führt dennoch zu einer zuverlässigen Diagnoseaussage, wenn zur Detektion eines Fehlers die bei der Diagnose ermittelten Abweichungen daraufhin überwacht werden, ob sie sich außerhalb eines Tole ^¬ ranzbereichs, welcher die erwartete Sprunghöhe einschließt, befinden. Die Obergrenze und die Untergrenze des jeweiligen Toleranzbereichs können dabei so vorberechnet werden, dass Schwankungen, die durch Bauelementestreuungen oder Tempera- turänderungen bedingt sind und in einem zulässigen Bereich liegen, nicht zu einer irrtümlichen Fehlerdiagnose führen.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das digitale Messsignal, welches bei zum Zweck der Diagnose geschlossenem ersten oder zweiten Schalter ermittelt wurde, um die in dem jeweiligen Arbeitspunkt erwar ^¬ tete Abweichung gegenüber der Messung bei offenem Schalter korrigiert. Somit kann auch bei zu Diagnosezwecken geschlos ^¬ senem Schalter der richtige Messwert der physikalischen oder chemischen Größe ausgegeben werden und es kommt zu keiner Unterbrechung der Messungen durch den Diagnosevorgang.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels und

Figur 2 ein Zeitdiagramm eines digitalen Messsignals.

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 R1...R4 eines Sensors S zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Dabei bil ^¬ den die beiden Widerstände Rl und R2 einen ersten Spannungs- teiler mit einem Mittenabgriff X+, der zwischen einer Referenzspannung Vref und Massepotential geschaltet ist. Die bei ^¬ den Widerstände R3 und R4 mit einem Mittenabgriff X- sind als zweiter Spannungsteiler zum ersten Spannungsteiler in der Wheatstone-Brücke parallel geschaltet. Ein strombegrenzender Widerstand R5 ist zwischen eine Versorgungsspannung VCC und die Referenzspannung Vref geschaltet, die im Betrieb des Sen ^¬ sors S im Wesentlichen konstant gehalten wird. Zwischen den Mittenabgriffen X+ und X- ist eine Spannung abgreifbar, deren Pegel dem jeweiligen Druck entspricht und welche in dem ge ^¬ zeigten Ausführungsbeispiel ein analoges Messsignal Um, das durch den Sensor S erzeugt wird, darstellt. Das Messsignal Um liegt an zwei Eingängen Inl und In2 eines Analog-Digital-Umsetzers ADC an, welcher das Analogsignal in eine zeitliche Folge digitaler Werte, die im Folgenden als digitales Mess ^¬ signal p bezeichnet wird, wandelt. Zur Verbesserung der Mess ^¬ genauigkeit ist zusätzlich die Referenzspannung Vref auf ei ^¬ nen Eingang Ref des Analog-Digital-Umsetzers ADC geführt. Da ^¬ durch wird eine ratiometrische Messung des analogen Messsig- nals Um ermöglicht.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Analog-Digital-Umsetzer ADC ein Bestandteil einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2, in welcher das analoge Messsignal Um zu einem Messwert für die physikalische oder chemische Größe, in die ^¬ sem Beispiel des Drucks, weiterverarbeitet wird, der bei Ein ^¬ satz des Messumformers 1 in einer prozesstechnischen Anlage beispielsweise an ein Automatisierungsgerät oder eine Leit ^¬ station über einen Feldbus 3 ausgegeben wird.

Der Mittenabgriff X+ des ersten Spannungsteilers mit Widerständen Rl, R2 ist über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand Rbl und einem Schalter Ql mit Massepotential als Be ^¬ zugspotential verbindbar. Eine entsprechende Reihenschaltung aus einem Widerstand Rb2 und einem Schalter Q2 ist für den Mittenabgriff X- des zweiten Spannungsteilers, der aus den Widerständen R3 und R4 gebildet ist, vorgesehen. Mithilfe ei ^¬ nes digitalen Ausgangs Outl der Ansteuer- und Auswerteein- richtung 2 kann der erste Schalter Ql, mithilfe eines digitalen Ausgangs Out2 der zweite Schalter Q2 zeitweise geschlos ^¬ sen werden. Im Normalbetrieb sind die beiden Schalter Ql und Q2 geöffnet. Wird einer der beiden Schalter Ql oder Q2 zeit- weise geschlossen, stellt sich eine Änderung des analogen Messsignals Um ein. Bei korrekt arbeitendem Analog-Digital- Umsetzer ADC führt dies zu entsprechenden Abweichungen des digitalen Messsignals p, die zur Diagnose des Messumformers 1 in einer anhand Figur 2 später näher beschriebenen Weise durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 analysiert werden. Welche Abweichungen zwischen Werten des digitalen Messsignals p, die beispielsweise bei geöffnetem ersten

Schalter Ql und geschlossenem ersten Schalter Ql erzeugt werden, im fehlerfreien Zustand zu erwarten sind, kann bei be- kannter Dimensionierung der Widerstände R1...R5, des Widerstands Rbl und der Versorgungsspannung VCC in einfacher Weise berechnet und abgespeichert werden. Alternativ dazu ist es möglich, Erwartungswerte für die Abweichungen bei der Inbe ^¬ triebnahme des Messumformers 1 im Gutzustand zu bestimmen und in einem Speicher der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 zur späteren Verwendung bei der Messumformerdiagnose zu hinterle ^¬ gen. Dabei können Erwartungswerte der Abweichung Δ, Werte der Obergrenze Amax und der Untergrenze Amin, die in Figur 2 beispielhaft eingezeichnet sind, in Form von Kennlinien vor- bestimmt und in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2 hinterlegt werden, wenn diese arbeitspunkt- und/oder temperaturabhängig variieren.

Figur 2 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Beispiel eines Ver- laufs 20 des digitalen Messsignals p. Der Verlauf 20 in Figur 2 wird bei fehlerfreiem Messumformer erhalten. Auf der Achse der Zeit t sind verschiedene Zustände ZI, Z2 und Z3 markiert. In einem Zustand ZI sind die beiden Schalter Ql und Q2 geöffnet und es stellt sich ein dem jeweiligen Druck entsprechen- des digitales Messsignal p mit einem Wert pl ein. Durch

Schließen des Schalters Ql wird aus dem Zustand ZI in einen neuen Zustand Z2 übergegangen, in welchem das digitale Messsignal p den Wert p2 besitzt. Eine Abweichung Δ zwischen den Werten p2 und pl entspricht einem bei der Inbetriebnahme oder durch Berechnung vorbestimmten Erwartungswert. Damit kann festgestellt werden, dass im Analog-Digital-Umsetzer ADC sowie im Bereich des ersten Spannungsteilers mit den Widerstän- den Rl und R2 (Figur 1) kein Fehler vorliegt. Beim Übergang von dem Zustand Z2 zum Zustand Z3 wird der erste Schalter Ql wieder geöffnet und der zweite Schalter Q2 geschlossen. Dabei stellt sich ein Wert p3 des digitalen Messsignals p ein, wel ^¬ cher um die Abweichung Δ höher ist als der Wert pl im Zustand ZI. Da die Abweichung Δ auch im Zustand Z3 der erwarteten Abweichung entspricht, liegt auch beim zweiten Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 (Figur 1) kein Fehler vor.

Damit auch in den Zuständen Z2 und Z3 korrekte Messwerte des Drucks ermittelt und durch den Messumformer ausgegeben werden, erfolgt eine Korrektur der Werte p2 bzw. p3 anhand der erwarteten Abweichungen Δ . Ein korrigierter Wert pk2 wird durch Addition der erwarteten Abweichung Δ zum ermittelten Wert p2 des digitalen Messsignals p berechnet, wie es in Fi- gur 2 durch die Formel pk2 = p2 + Δ gezeigt ist. Ein korrigierter Wert pk3 wird durch Subtraktion der erwarteten Abweichung Δ vom ermittelten Wert p3 entsprechend der in Figur 2 angefügten Formel pk3 = p3 - Δ erhalten. Im Zustand ZI ist keine derartige Korrektur erforderlich, sodass der ermittelte Wert pl unverändert auch als korrigierter Wert pkl weiterverarbeitet werden kann.

Auf den Zustand Z3 folgt wiederum der Zustand ZI, in welchem die beiden Schalter Ql und Q2 für normalen Messbetrieb geöffnet sind. Für die Messumformerdiagnose zusätzlich vorgesehene Zustände Z2 und/oder Z3 können, gesteuert durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 2, zyklisch in periodischen Zeitab- ständen, ereignisgesteuert oder auf Anforderung, die bei ^¬ spielsweise über den Feldbus 3 oder eine Bedieneinrichtung vor Ort gegeben wird, eingenommen werden. Für den Zustand Z2 sind in Figur 2 eine vorbestimmte Ober ^¬ grenze Amax sowie eine vorbestimmte Untergrenze Amin der Ab ^¬ weichung Δ eingezeichnet, die einen Toleranzbereich definieren, innerhalb dessen bei der Diagnose ein Gutzustand des Messumformers festgestellt wird. Liegt dagegen im Diagnosebe- triebszustand Z2 gegenüber dem Normalbetrieb im Zustand ZI eine Abweichung vor, die größer als die Obergrenze Amax ist, so wird ein Fehler detektiert, bei welchem es sich beispiels ^¬ weise um einen Bruch des Sensors S, ein Reißen eines Bonding- Drahts oder um einen Defekt des Analog-Digital-Umsetzers han- dein kann. Ist die Abweichung kleiner als die Untergrenze Amin, so wird ein Fehler detektiert, dessen Ursache bei ^¬ spielsweise der Analog-Digital-Umsetzer oder ein diesem evtl. vorgeschalteter Multiplexer sein kann, der in Messumformern beispielsweise dazu vorgesehen sein kann, verschiedene Ana- logsignale mit demselben Analog-Digital-Umsetzer zu digitalisieren .

Im Zustand Z3 erfolgt die Überwachung der Abweichung auf Einhalten eines vorbestimmten Kriteriums in analoger Weise zu der Art der Überwachung, die für den Zustand Z2 bereits aus ^¬ führlich beschrieben wurde.

Zusammenfassend wird somit eine Diagnose erhalten, die es er ^¬ laubt, Fehler in einem Analog-Digital-Umsetzer oder einem evtl. vorgeschaltetem Multiplexer sowie einen Sensorbruch oder ein Reißen der Bonding-Drähte an Brückenausgängen des Sensors zu erkennen. Dabei wird in vorteilhafter Weise kein zusätzlicher Analog-Digital-Umsetzer benötigt. Der Verzicht auf einen zusätzlichen Analog-Digital-Umsetzer wirkt sich günstig auf die Stromaufnahme des Messumformers aus. Dies ist insbesondere bei Messumformern mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ein großer Vorteil, da hier lediglich eine sehr begrenzte Hilfsenergie zum Betrieb des Messumformers zur Verfügung steht. Zudem stellt der Verzicht auf einen zweiten Analog-Digital-Umsetzer eine deutliche Verringerung der Herstellungskosten und des Platzbedarfs für die Ansteuer- und Auswerte ^¬ einrichtung dar. Da nun Fehler des Analog-Digital-Umsetzers zusätzlich zu Sensor-, Widerstands- oder Zuleitungsbruch detektierbar sind, wird eine weitere Erhöhung der Safe-Fai- lure-Fraction durch die neuartige Diagnose erreicht.