Druckmessumformer sowie Verfahren zu dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Druckmessumformers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Pro- zessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, 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 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. Beispielsweise ein Messumformer mit einem defekten Drucksensor liefert in einer automatisierungstechnischen Anlage keinen oder einen fehlerhaften Messwert. Das kann zu einer schlechteren Qualität eines in der Anlage hergestellten Produkts oder zu einem Anlagenstillstand führen, insbesondere wenn der Messwert für die Betriebssicherheit der Anlage relevant ist. Im Falle einer Verwendung des Druckmessumformers in einem Regelkreis wirkt sich ein fehlerbehafteter Messwert negativ auf die Regelgenauigkeit aus und verringert somit die Produktqualität.

Aus der DE 10 2005 044 410 B4 ist ein Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung bekannt, in welchem der zu messende Druck (Systemdruck) des Prozessmediums über eine Trennmembran und eine mit Silikonöl befüllte Messkammer auf einen Drucksensor übertragen wird, der als ein piezoresistiver Siliziumsensor ausgeführt ist. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit des Druckmessumformers ist zusätzlich zu diesem ersten Drucksen- sor ein zweiter Drucksensor mit größerem Überlastbereich vorgesehen. Eine Auswerteeinrichtung zur Ermittelung und Ausgabe eines Messwerts in Abhängigkeit des Messsignals des ersten Drucksensors ist derart ausgebildet, dass im Normalbetrieb zyklisch anhand des ersten Messsignals des ersten Drucksen- sors eine Kalibrierung des zweiten Drucksensors erfolgt. Dadurch wird eine Minimierung des Messfehlers erreicht, wenn bei einem Defekt des ersten Drucksensors der zweite Drucksensor mit geringerer Empfindlichkeit und im Allgemeinen geringerer Messgenauigkeit zur Erzeugung des Messsignals dient, auf dessen Basis im Falle eines Fehlers des ersten Drucksensors der Messwert in der Auswerteeinrichtung ermittelt und ausgegeben wird. Eine Kalibrierung des ersten Drucksensors ist dagegen nicht beschrieben.

Aus der US 2008/0006094 Al ist ein Differenzdruckmessumformer bekannt, in welchem die Funktion eines Differenzdrucksensors zur Verbesserung der Verfügbarkeit und Messgenauigkeit mit zwei zusätzlichen Absolutdrucksensoren überwacht wird. Eine Kalibrierung des Differenzdrucksensors wird auch hier nicht erwähnt.

Drucksensoren weisen häufig eine Siliziummembran auf, die sich in Folge des einwirkenden Druckes durchbiegt. Diese Biegung führt auf den Oberflächen der Membran zu Materialspan- nungen, die beispielsweise mit Hilfe in die Siliziummembran eingebetteter, zu einer Wheatstone-Brücke verschalteter piezoresistiver Widerstände in ein Messsignal gewandelt werden. Um genaue Messergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, Messumformer mit derartigen Drucksensoren im Rahmen einer Werkseinstellung zu kalibrieren. Nachteilig dabei ist, dass das Messsignal über längere Betriebszeiträume aufgrund von Alterungseffekten der Widerstände, mechanischen Verspannungen der Membran oder aus anderen Gründen eine Drift erfahren kann, so dass die Messergebnisse den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügen. Um die erforderliche hohe Messgenauigkeit über einen längeren Zeitraum zu erhalten, sind daher von Zeit zu Zeit manuelle Nachkalibrierungen erforderlich. Derartige Maßnahmen sind vergleichsweise aufwendig, da gewöhnlich der Druckmessumformer aus der automatisierungstechnischen Anlage entnommen und im Werk oder in einer speziellen Kalibriervorrichtung neu kalibriert werden muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb zu schaffen, mit welchen die Kalibrierung des Druckmessumformers vereinfacht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen, in Anspruch 9 ein Verfahren zum Betrieb eines Druckmessumformers beschrieben .

Die Erfindung geht von der Idee aus, in einem Druckmessumformer einen Drucksensor, der aufgrund mäßiger Langzeitstabilität von Zeit zu Zeit neu kalibriert werden muss, um eine Referenz mit vergleichsweise guter Langzeitstabilität zu ergän- zen. In vorteilhafter Weise wird als Referenz zumindest ein Druckschalter verwendet, da sich derartige Komponenten durch einen vergleichsweise langzeitstabilen Aufbau auszeichnen. Der Drucksensor selbst braucht dann nicht mehr besonders langzeitstabil aufgebaut zu sein, da sich eine Kalibrierung oder Neukalibrierung des Drucksensors automatisch zyklisch oder zu vorgebbaren Zeiten bewerkstelligen lässt. Es können daher preisgünstigere Drucksensoren zum Einsatz kommen, ohne signifikante Nachteile im Hinblick auf die Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität des Druckmessumformers hinnehmen zu müssen. Der Druckschalter besitzt eine Membran, die mit dem zu messenden Druck beaufschlagt ist und deren Durchbiegung durch einen Anschlag begrenzt wird. Er ist somit auf einen Arbeitspunkt ausgelegt und muss nur in diesem die erfor- derliche Langzeitstabilität aufweisen. Da der Druckschalter weniger häufig bewegt wird als die Membran des Drucksensors und da der Bewegungsweg vergleichsweise gering ist, erfährt der Druckschalter eine geringere mechanische Beanspruchung. Bei eventueller Verwendung gleicher Materialien in Druckschalter und Drucksensor wird bereits aus diesem Grund eine hohe Genauigkeit des vorbestimmten Schwellwerts und eine gute Langzeitstabilität erreicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind daher der Drucksensor und der zumindest eine Druckschalter auf demselben Siliziumsubstrat angeordnet. Das hat den Vorteil, dass Drucksensor und Druckschalter in den gleichen Prozessschritten hergestellt werden können und dass die Herstellungskosten im Vergleich zur Verwendung mehrerer getrennter Bauelemente deutlich verringert werden.

Vorzugsweise wird der Anschlag des Druckschalters derart bemessen, dass sich die vorbestimmte Schwelle in der mittleren Hälfte des Arbeitsbereichs des Drucksensors befindet, das heißt zwischen 25% und 75% der Spanne liegt. Die Kalibrierpunkte befinden sich somit nicht in der Nähe der Extremwerte des Drucksensors sondern in einem Bereich, der im Betrieb häufig genutzt wird. Dadurch wird eine zu seltene Nachkalib- rierung des Drucksensors vermieden.

Eine vergleichsweise genaue Detektion des Erreichens des Anschlags wird in besonders einfacher Weise ermöglicht, wenn am Anschlag ein elektrischer Kontakt zur Erzeugung eines Schalt- signals vorgesehen ist, das als digitales Signal auf einen Eingang der Auswerteeinrichtung geführt ist. Dazu müssen in dem Druckschalter geeignete Kontaktflächen vorgesehen und diese über Leitungen aus dem Druckschalter herausgeführt werden. Alternativ wäre selbstverständlich auch eine kapazitive oder optische Detektion denkbar, eine resistive Erkennung durch Detektion des Schließens eines Kontaktes ist jedoch mit vergleichsweise einfachen Schaltungsmitteln realisierbar. Eine alternative Möglichkeit zur Erzeugung des Schaltsignals besteht darin, den Druckschalter in gleicher Weise wie den kontinuierlich messenden Drucksensor auszubilden, der ein analoges Messsignal erzeugt. Die Erkennung des Schaltpunktes, das heißt die Detektion, ob der Anschlag durch die Membran des Druckschalters erreicht wurde, erfolgt dann über einen Vergleich der Signalverläufe der von dem Drucksensor und dem Druckschalter gelieferten Signale. Tritt beispielsweise im zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Druckschalters eine Knickstelle auf, während sich das Messsignal des Drucksensors weiterhin mit stetiger Steigung ändert, so kann auf Erreichen des Anschlags zum Zeitpunkt des Auftretens des Knicks geschlossen werden. Vorteil bei dieser Variante ist, dass der Drucksensor und der Druckschalter in der gleichen Technologie und mit dem gleichen Herstellungsverfahren oder

-prozess gefertigt werden können. Zudem kann eine Elektronik, welche die Ausgangssignale des Drucksensors und des Druckschalters aufnimmt und vorverarbeitet, ebenfalls gleich aufgebaut sein. Es ist sogar ein Multiplexbetrieb möglich, in welchem dieselbe Elektronik nacheinander das Ausgangssignal des Drucksensors und das Ausgangssignal des Druckschalters bearbeitet .

Wenn sich Veränderungen der Kennlinie des Drucksensors, wel- che die Abhängigkeit des Messsignals vom zu messenden Druck wiedergibt, lediglich in einer Verschiebung äußern, genügt bereits ein einzelner Druckschalter als Referenz. Verändert sich das bei der Schaltschwelle des Druckschalters von dem Drucksensor ausgegebene Messsignal aufgrund seiner Alterung, so kann eine neue Kalibrierung durch einfache Parallelverschiebung der Kennlinie durchgeführt werden.

Beispielsweise eine nichtlineare Kalibrierkurve eines Drucksensors kann durch Kippen und/oder Verschieben in einfacher Weise an Veränderungen der Kalibrierdaten angepasst werden, wenn zwei Druckschalter mit zwei verschiedenen Schaltschwellen als Referenz verwendet werden. Bei mehr als zwei Druckschaltern ist zudem eine Anpassung der Form der Kalibrierkur- ve oder eine Anpassung durch abschnittsweise Näherung der Kalibrierkurve an die Schaltschwellen möglich.

Wenn eine Neukalibrierung des Druckmessumformers bei jeder Überschreitung der Schaltschwelle des Druckschalters vorgenommen wird, hat dies den Vorteil, dass auf Veränderungen der Drucksensoreigenschaften schnell reagiert wird und daher eine bessere Messgenauigkeit erhalten werden kann.

Die Lage der Schaltschwelle des Druckschalters eines Druckmessumformers wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bei einer Werkskalibrierung ermittelt und in einem Speicher der Auswerteeinrichtung hinterlegt. Zudem kann in einer Werkskalibrierung die Abhängigkeit der Schaltschwelle von der jeweiligen Temperatur des Druckmessumformers ermittelt und abgespeichert werden. Dadurch können preiswertere Druckschalter verwendet werden, da ihre Schaltschwelle keinen vorgegebenen Wert haben muss und keine absolute Genauigkeit der Schaltschwelle gefordert wird. Ihre genaue Lage und Tem- peraturabhängigkeit wird vielmehr in der Werkskalibrierung exemplarspezifisch bestimmt und muss lediglich hinsichtlich der Langzeitstabilität gewissen Anforderungen genügen.

Der in dieser Anmeldung verwendete Begriff „Überschreiten" einer Schaltschwelle schließt selbstverständlich beide Richtungen ein, also sowohl eine Überschreitung von unten nach oben als auch von oben nach unten. Bei einem hysteresebehafteten Druckschalter können mit demselben Druckschalter zwei verschiedene Schaltschwellen realisiert werden, wobei die je- weils für die Kalibrierung wirksame Schaltschwelle nach der Richtung des Überschreitens der Schaltschwelle auszuwählen ist .

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 Schnittbild eines Aufnehmers eines Druckmessumformers,

Figur 2 ein Blockschaltbild des Druckmessumformers,

Figur 3 ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Kalibrierung und

Figur 4 ein Schnittbild von Druckschaltern auf Siliziumbasis .

Ein Aufnehmer 1 eines Druckmessumformers weist gemäß Figur 1 einen Prozessanschluss 3 auf, mit welchem er an eine Rohrleitung oder einen Behälter in einer automatisierungstechnischen Anlage anschließbar ist. Ein Prozessmedium mit einem Druck P wird dem Aufnehmer 1 durch eine Öffnung im Prozessanschluss 3 zugeführt. Im Innenraum eines Aufnehmergehäuses 2 gelangt das Prozessmedium zu einer Trennmembran 4, durch welche das Prozessmedium von einem Füllöl getrennt wird, das sich in einer Messkammer 5 befindet. Mit Hilfe des Füllöls wird der Prozessdruck P hydrostatisch auf einen Drucksensor 6 und einen Druckschalter 7 übertragen. Der Drucksensor 6 erzeugt ein Messsignal und der Druckschalter 7 ein Schaltsignal, welche durch in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte elektrische Leitungen an eine Auswerteeinrichtung zur weiteren Verarbeitung übertragen werden. Der Druckschalter 7 dient als langzeitstabile Referenz zur Kalibrierung des Drucksensors 6 und damit zur Kompensation von Drifterscheinungen, die beispielsweise aufgrund von Alterungseffekten im Drucksensor 6 auftreten können.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Aufnehmer 1 eines Messumfor- mers für Absolutdruck dargestellt. Selbstverständlich können in analoger Weise auch Aufnehmer mit variablem Referenzdruck für Relativdruckmessumformer oder Aufnehmer für Differenz- druckmessumformer mit einem oder mehreren Druckschaltern als Referenz zur Kalibrierung des Messumformers ausgestattet werden .

Anhand Figur 2 wird im Folgenden die Funktionsweise des Druckmessumformers näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aufnehmer 1 liefert ein Messsignal 9 des Drucksensors 6 sowie ein Schaltsignal 10 des Druckschalters 7 an eine Auswerteeinrichtung 11. In dieser werden die beiden Signale 9 und 10 in einer Signalverarbei- tungseinheit 12 zur Bestimmung eines Messwerts 13 weiter verarbeitet. In der Signalverarbeitungseinheit 12 werden zusätzlich Statusmeldungen, die den Zustand des Messumformers betreffen, erzeugt. Statusmeldungen und Messwert 13 werden durch eine Schnittstelle 14 über ein Bussystem 15 an ein Leitsystem 16 weitergegeben, in welchem diese zur Verwendung in einer automatisierungstechnischen Anlage, beispielsweise als Istwert in einem Regelkreis, weiterverarbeitet werden. Mit Hilfe des binären Schaltsignals 10 wird der Auswerteeinrichtung 11 angezeigt, ob sich der zu messende Druck P ober- halb oder unterhalb einer vorbestimmten Schwelle befindet.

Der Wert der Schwelle wurde in einer Werkskalibrierung ermittelt und in einem Speicher 17 hinterlegt. Überschreitet der Druck P die vorbestimmte Schwelle, so wird der dabei übertragene Wert des Messsignals 9 mit einem bereits in dem Speicher 17 der Auswerteeinrichtung 11 hinterlegten, der jeweiligen Schwelle zugeordneten Kalibrierdatum verglichen. Treten gegenüber früher abgespeicherten Kalibrierdaten Abweichungen auf, so wird mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit 12 eine Neukalibrierung des Druckmessumformers vorgenommen. Durch die Neukalibrierung anhand des so ermittelten Kalibrierdatums, das mit Hilfe des langzeitstabilen Druckschalters 7 als Referenz gewonnen wurde, werden daher Einflüsse von Alterungseffekten des Drucksensors 6 auf das Messergebnis kompensiert und die Messgenauigkeit des Druckmessumformers wiederherge- stellt.

Anhand Figur 3 wird beispielhaft die Vorgehensweise bei einer Neukalibrierung eines Druckmessumformers mit zwei Druckschal- tern erläutert. Auf der Abszisse eines Kennliniendiagramms ist ein Messsignal U, auf der Ordinate ein gemessener Druck P aufgetragen. Der Wertebereich des Druckmessumformers reicht von einem Anfangswert PO bis zu einem Endwert Pl. Ein erster Druckschalter hat eine Schaltschwelle PSl, ein zweiter Druckschalter eine Schaltschwelle PS2. Im Diagramm sind drei Kennlinien K, K' und K' ' eingezeichnet, deren Abstand und Steigungsabweichung zur besseren Veranschaulichung stark überzeichnet sind. Vor einer Neukalibrierung wird die Kennlinie K' in der Auswerteeinrichtung zur Ermittelung eines Druckmesswerts P anhand des Messsignals U herangezogen. Überschreitet der zu messende Druck im Normalbetrieb die Schwelle PSl, wird der dabei von dem Drucksensor abgegebene Wert USl des Messsignals U als neues Kalibrierdatum abgelegt und die Kennlinie K' derart parallel verschoben, dass der Punkt (USl, PSl) auf der neuen Kennlinie zu liegen kommt. Auf diese Weise wird die Kennlinie K'' gewonnen. Bei Verwendung lediglich eines Druckschalters in dem Druckmessumformer wäre die Neukalibrierung damit bereits abgeschlossen. Wird im Normalbetrieb auch die Schaltschwelle PS2 des zweiten Druckschalters überschritten, liegt der dabei erfasste Wert US2 des Messsignals als weiteres Kalibrierdatum vor, das eine weitere Verbesserung der Kalibriergenauigkeit ermöglicht. Nun wird in der Neukalibrierung die Kennlinie K'' um den Punkt (USl, PSl) ge- dreht und auf diese Weise in die Kennlinie K überführt, die sowohl den Punkt (USl, PSl) als auch den Punkt (US2, PS2) einschließt .

In Figur 3 sind beispielhaft lineare Kennlinien K, K' und K' ' eingezeichnet. Die beschriebene Art der Neukalibrierung kann selbstverständlich auch bei leicht nichtlinearen Kennlinien angewendet werden.

Werden mehr als zwei Druckschalter in einem Druckmessumformer als Referenz eingesetzt, so kann die Anpassung der Kennlinie an neue, bei Überschreitung der jeweiligen Schaltschwelle aufgenommene Kalibrierdaten beispielsweise durch eine lineare Approximation oder eine abschnittsweise Näherung vorgenommen werden .

Anhand Figur 4 wird eine mögliche Bauform von Druckschaltern 18, 19 und 20 auf der Basis von Silizium verdeutlicht. Die drei Druckschalter 18, 19 und 20 sind bis auf die Abmessungen ihrer Membran identisch aufgebaut, so dass eine beispielhafte Beschreibung des Druckschalters 20 genügt. In einem Trägermaterial 21 aus Silizium wird eine beispielsweise quadratische Membran 22 gehalten, auf deren Oberseite der zu messende

Druck P einwirkt. Die Unterseite 24 der Membran 22 ist mit dem Referenzdruck einer Referenzdruckkammer 25 beaufschlagt. In ihrer Mitte trägt die Membran 22 eine domförmige Erhebung 26, welche in die Referenzdruckkammer 25 hineinragt. Die Un- terseite der Erhebung 26 ist mit einer elektrischen Kontaktfläche 27 versehen, welche einer elektrischen Kontaktfläche 28 auf einer Grundplatte 29 gegenüberliegt. Überschreitet der Druck P den Druck der Referenzdruckkammer 25 um einen Schwellwert, der beispielsweise bei einer Werkskalibrierung vorbestimmt sein kann, so wird der elektrische Kontakt zwischen den beiden Kontaktflächen 27 und 28 geschlossen und ein Erreichen des Anschlags detektiert. Die Erhebung 26 und die Grundplatte 29 bilden mit der jeweiligen Kontaktfläche 27 bzw. 28 somit einen Anschlag, der die Durchbiegung der Memb- ran 22 begrenzt. Das Schließen des Kontakts bei Aufeinandertreffen der beiden Kontaktflächen 27 und 28 kann durch eine einfache Widerstandsmessung festgestellt und der Auswerteeinrichtung (11 in Figur 1) mit Hilfe eines binären Signals angezeigt werden. Alternativ zu dieser resistiven Detektion ist selbstverständlich eine kapazitive oder eine optische Detektion möglich. Als weitere Alternative kann die Oberseite 23 der Membran 22 mit eindotierten, resistiven Elementen versehen sein, die denjenigen des Drucksensors entsprechen. Die Erkennung des Schaltpunktes erfolgt dann über einen Vergleich der Signalverläufe, die mit dem Druckschalter 20 und dem in der Figur 4 nicht dargestellten Drucksensor gewonnen werden. Tritt in dem mit Hilfe des Druckschalters 20 gewonnenen Signalverlaufs eine Unstetigkeit der Steigung auf, während der Signalverlauf, der mit Hilfe des Drucksensors gewonnen wurde, keine derartige Unstetigkeit zeigt, so kann auf das Erreichen des Anschlags im Druckschalter 20 geschlossen werden.

Die Schaltschwelle des Druckschalters 20 wird wesentlich durch die Dicke der Membran 22, ihre Breite dl, die Materialeigenschaften des für die Membran 22 verwendeten Werkstoffs und den Abstand zwischen den elektrischen Kontaktflächen 27 und 28 bestimmt. Sie kann somit durch Veränderung eines oder mehrerer der genannten Parameter variiert werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 unterscheiden sich die Druckschalter 18, 19 und 20 lediglich bezüglich der Membranbreite d3, d2 bzw. dl, wobei die Breite d3 die kleinste und die Breite dl die größte ist. Somit ergeben sich für die Druck- Schalter 18, 19 und 20 in Folge der verschiedenen Membranabmessungen unterschiedliche Schaltschwellen, wobei die Schaltschwelle des Druckschalters 20 die niedrigste und die Schaltschwelle des Druckschalters 18 die höchste ist. Die Schaltschwellen befinden sich vorzugsweise im mittleren Abschnitt des Arbeitsbereichs des Drucksensors, damit im Betrieb des Messumformers ein häufiges Schalten der Druckschalter und Nachkalibrieren des Drucksensors erreicht wird.

Die Druckschalter 18, 19 und 20 sind auf einen Arbeitspunkt ausgelegt und müssen nur in diesem langzeitstabil sein. Da sie weniger häufig bewegt werden und in ihrem Bewegungsweg gegenüber dem Drucksensor eingeschränkt sind, wird ihre Membran einer geringeren mechanischen Beanspruchung als die Membran des Drucksensors ausgesetzt. Dies wirkt sich eben- falls vorteilhaft auf die Langzeitstabilität der Schaltpunkte aus .