Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung sowie Verfahren zur Druckmessung

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Drucksensor mit einer Membran, auf deren eine Seite der zu messende Druck und auf deren andere Seite ein Referenzdruck geführt sind, und mit zumindest einem Sensorelement zur Erfassung einer Auslenkung der Membran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer.

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.

Aus dem Siemens-Katalog „ST FI 01-2008", Kapitel 1 ist ein Druckmessumformer SITRANS P zur Prozessinstrumentierung bekannt. Dieser weist auf einer Membran angeordnete Sensorele- mente zur Erfassung der Membrandurchbiegung infolge des einwirkenden Druckes und zur Erzeugung eines diesen Druck repräsentierenden Messsignals auf, wobei eine Auswerteeinrichtung einen Messwert des Drucks 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 Druckwert mit einem Referenzdruckwert verglichen, wozu das den Druck repräsentierende Messsignal ausgewertet wird. Dieses Messsignal erzeugen üblicherweise materialspannungsabhängige, piezoresistive Wi- derstände, die in einer Wheatstone-Brücke miteinander verschaltet sind. Nachteilig ist, dass die Messergebnisse über längere Zeiträume aufgrund von Alterungseffekten der piezore- sistiven Widerstände und der Membran oder aufgrund von Ausgasungen eines Füllöls in einer Messkammer, welches zur Über- tragung des zu messenden Prozessdrucks zu der Membran vorgesehen ist, eine Drift erfahren und nach gewisser Zeit den Genauigkeitsanforderungen nicht mehr genügen, so dass Reka- librierungsmaßnahmen erforderlich werden. Diese Maßnahmen sind aufwendig, da gewöhnlich der Messumformer von der pro- zesstechnischen Anlage abgetrennt und im Werk oder im Labor neu kalibriert werden muss. Beispielsweise werden dabei durch eine Handspindel verschiedene Prüfdrücke erzeugt, die gleichzeitig auf den zu kalibrierenden Druckmessumformer und ein Referenzgerät gegeben werden. Der Druckmessumformer kann da- bei punktuell genau auf die Messwerte des Referenzgeräts abgeglichen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, der sich durch eine verbesserte Langzeitstabilität auszeichnet und somit länger ohne Rekalibrierung betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein geeignetes Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer zu finden.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der Druckmessumformer zur Prozessinstrumentierung der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Druckmessumformers, in Anspruch 5 ein Verfahren zur Druckmessung mit einem derartigen Druckmessumformer beschrieben.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie in einfacher Weise in einen Druckmessumformer mit mikromechanisch hergestellter Siliziummembran, die eine piezoresistive Brückenschaltung zur Erfassung der Membranauslenkung trägt, integriert werden kann. Ein derartiger Aufbau wird beispielsweise bei dem bekannten Druckmessumformer SITRANS P verwendet. Auf die eine Seite der Membran wird der zu messende Druck, auf die andere Seite ein Referenzdruck einer Referenzdruckkammer geführt. Die Referenzdruckkammer wird nun mit einem Medium befüllt, dessen Druck eine vorbekannte Temperaturabhängigkeit besitzt. In vorteilhafter Weise kann durch die piezoresistiven Messwiderstände der Brückenschaltung die Auslenkung der Membran er- fasst werden. Alternativ zur Verwendung einer piezoresistiven Vollbrückenschaltung kann die Auslenkung der Membran selbst- verständlich mit induktiven, kapazitiven oder optischen Aufnehmern gemessen werden. Durch eine Heizung oder eine Kühlung wird das Medium in der Referenzdruckkammer mit Hilfe einer Temperaturänderung auf diejenige Temperatur gebracht, bei der sich die Membran in einer vorgegebenen Lage befindet, die vorzugsweise frei von mechanischen Spannungen ist. Es herrscht dann ein Druckgleichgewicht zwischen den beiden Membranseiten. Die sich dabei einstellende Temperatur wird beispielsweise mit einem Thermoelement oder einem temperaturabhängigen Widerstand präzise gemessen. Über den physikali- sehen Zusammenhang zwischen dem Druck des Mediums in der Referenzdruckkammer und seiner Temperatur, der letztlich nur noch von den physikalischen Eigenschaften des Mediums abhängt, wird der zu messende Druck, der auch als System- oder Prozessdruck bezeichnet werden kann, ermittelt und ausgege- ben. Ist die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt, so verändert sich die Menge des in der Referenzdruckkammer befindlichen Mediums über die Lebensdauer des Druckmessumformers nicht und es findet auch keine Kontamination des Mediums statt. Da der Messwert des Systemdrucks im Wesentlichen nur noch von der Langzeitstabilität des in der Referenzdruckkammer befindlichen Mediums und der Genauigkeit der Temperaturmessung abhängt, die ebenfalls sehr langzeitstabil ausgeführt werden kann, zeichnet sich der neue Druckmessumformer durch eine vergleichsweise gute Langzeitstabilität bei vergleichsweise geringem technischen Aufwand für seine Realisierung aus.

Wenn das Sensorelement zur Erfassung der Auslenkung der

Membran - wie bereits oben angedeutet - als eine piezore- sistive Vollbrückenschaltung ausgeführt ist, deren Brückenspannung als Lagesignal dient, und wenn zudem der Wert Null der Brückenspannung als der vorgegebene Wert des Lagesignals verwendet wird, der mit Hilfe der Temperatureinstellung erreicht wird, so hat dies den Vorteil, dass sich auch das Sensorelement durch eine hervorragende Langzeitstabilität auszeichnet. Erfahren nämlich die einzelnen Widerstände der Brückenschaltung aufgrund von Alterungseffekten eine Drift, so wirkt sich diese nicht auf eine Verschiebung der Nulllage der Brückenspannung aus, da alle Messwiderstände der Schaltung denselben Einflüssen ausgesetzt sind und damit dieselbe Drift erfahren. Zudem ist für die Realisierung des Sensorelements zur Erfassung der Membranauslenkung keine Neugestaltung einer herkömmlichen Membran erforderlich, wie sie beispielsweise in dem Druckmessumformer SITRANS P Verwendung findet.

In vorteilhafter Weise kann sich die Membran beim vorgegebenen Wert des Lagesignals im Wesentlichen im Zustand eines Druckgleichgewichts zwischen den beiden Membranseiten befinden. In diesem Fall ist die Membran nämlich frei von mechanischen Spannungen und Alterungserscheinungen, zum Beispiel eine Materialermüdung. Diese führen dann nicht zu einer Drift der Membranlage im Gleichgewichtszustand. Damit wird die Langzeitstabilität des Druckmessumformers weiter verbessert.

Vorzugsweise wird die Referenzdruckkammer mit einem Medium befüllt, das sich bei Betriebstemperatur des Druckmessumfor- mers zum Teil im gasförmigen und zum Teil im flüssigen Aggregatzustand befindet. Das hat den Vorteil, dass die Temperaturabhängigkeit des Mediendrucks in besonders langzeitstabi- ler Weise durch die Dampfdruckkurve des Mediums beschrieben werden kann. Der Dampfdruck ist der Druck der dampfförmigen Phase eines Stoffes, wenn sich die flüssigen und gasförmigen Phasen im Gleichgewicht befinden. Der Dampfdruck eines Reinstoffes ist lediglich von seiner Temperatur abhängig. Bei einer Temperatur- oder Volumenänderung verdampft oder konden- siert soviel des Stoffes, bis im Gleichgewicht der Dampfdruck wieder den Sättigungsdampfdruck erreicht. Bei Verwendung eines derartigen Mediums sind daher selbst geringe Leckagen der Referenzdruckkammer tolerierbar, solange in der Kammer noch ein Zweiphasengemisch des Mediums vorliegt.

In einer weiteren Ausgestaltung kann der Drucksensor mit dem neuartigen Messprinzip als Referenz zur Kalibrierung eines Drucksensors verwendet werden, der die Druckmessung nach herkömmlichem Prinzip durchführt. Dazu werden beide Drucksenso- ren mit demselben Systemdruck beaufschlagt und der Drucksensor, der nach herkömmlichem Prinzip arbeitet, wird insbesondere, wenn für einen gewissen Zeitraum ein konstanter Systemdruck anliegt, mit Hilfe des langzeitstabilen Messsignals des Referenzdrucksensors mit neuem Messprinzip kalibriert. Das hat den Vorteil, dass der Vorzug der Langzeitstabilität des neuen Drucksensors mit dem Vorzug der Reaktionsschnelligkeit auf Druckschwankungen des herkömmlichen Drucksensors kombiniert wird.

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 eine schematische Darstellung eines Drucksensors eines Druckmessumformers, Figur 2 ein Blockschaltbild eines Druckmessumformers,

Figur 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Temperatureinstellung,

Figur 4 ein Ablaufdiagramm der Druckmessung und

Figur 5 Dampfdruckkurven verschiedener Paraffine.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Drucksensor 1 für einen Druckmessumformer umfasst gemäß Figur 1 eine Siliziummembran 2, die auf einem Substrat 3 an- geordnet ist. Auf die eine Seite der Membran 2 wirkt ein Systemdruck P, auf die andere Seite ein Referenzdruck, der durch ein Medium 5, 6 in einer Referenzdruckkammer 4 erzeugt wird. Ein Teil 5 des Mediums befindet sich im gasförmigen Aggregatzustand, ein Teil 6 im flüssigen Aggregatzustand. Zur Erfas- sung einer Auslenkung der Membran 2 dienen in die Membranoberseite eindotierte Messwiderstände 7, die elektrisch zu einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet sind. Der Referenzdruck in der Referenzdruckkammer 4 entspricht dem Sättigungsdampfdruck des Mediums und ist daher praktisch ausschließlich von der Medientemperatur abhängig. Durch Einstellen der Temperatur mit Hilfe einer Heizung 8, die in Figur 1 schematisch als Heizwendel dargestellt ist, kann daher der Referenzdruck in einem weiten Bereich variiert werden. Dazu wird auf die beiden Anschlüsse der Heizung 8 ein Stellsignal u gegeben. Mit Hilfe eines Temperatursensors 10 als Mittel zur Erfassung der Temperatur wird ein Temperatursignal T erzeugt, das der Medientemperatur entspricht. Damit das Medium in der Referenzdruckkammer 4 möglichst dauerhaft verbleibt, ist diese annähernd diffusionsdicht ausgeführt.

In dem Blockschaltbild gemäß Figur 2 ist die prinzipielle Verschaltung des Drucksensors 1 mit einer Auswerteeinrichtung 20 eines Druckmessumformers 24 dargestellt. Auf den Drucksen- sor 1 wird, wie schon anhand Figur 1 beschrieben, der Systemdruck P als zu messende physikalische Größe geführt. Durch den Drucksensor 1 werden an die Auswerteeinrichtung 20 ein die Auslenkung der Membran 2 (Figur 1) repräsentierendes La- gesignal x, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Brückenspannung entspricht, und das Temperatursignal T, das die Medientemperatur repräsentiert, übergeben. Die Auswerteeinrichtung 20 ermittelt anhand dieser Signale x und T auf eine später noch genauer beschriebene Weise ein Temperatur- Stellsignal u, das im Drucksensor 1 zur Ansteuerung einer

Heizung und gegebenenfalls auch zur Ansteuerung einer Kühlung für das Medium in der Referenzdruckkammer dient. In Abhängigkeit der Temperatur T des Mediums, die sich einstellt, wenn das Lagesignal x einem vorgegebenen Wert entspricht, wird in der Auswerteeinrichtung 20 anhand einer in einem Speicher 21 hinterlegten Dampfdruckkurve ein Wert des zu messenden Systemdrucks P bestimmt und beispielsweise über einen Feldbus oder eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle 22 an eine speicherprogrammierbare Steuerung oder eine Leitstation zur weiteren Verarbeitung in einer prozesstechnischen Anlage, in welcher der Druckmessumformer 24 eingesetzt ist, ausgegeben. In der Auswerteeinrichtung 20 ist ein geeignet programmierter Mikrocomputer 23 vorhanden, der die erforderlichen Berechnungen unter anderem zur Vorgabe des Temperaturstellsignals u oder zur Bestimmung der Druckmesswerte durchführt.

Die Berechnung der Vorgabewerte für das Temperaturstellsignal u erfolgt mit Hilfe einer Regelung, die anhand Figur 3 näher erläutert wird. Als Regelgröße x wird das die Auslenkung rep- räsentierende Lagesignal verwendet, welches der Brückenspannung der auf der Membran 2 (Figur 1) befindlichen Brückenschaltung entspricht. Mit Hilfe eines Vergleichers, auf welchen neben dem Lagesignal x ein Sollwert 0 (Null) geführt ist, wird eine Regelabweichung bestimmt, welche auf einen Regler 30, beispielsweise einen PID-Regler, geführt ist. Dieser liefert einen Vorgabewert des Temperaturstellsignals u, mit dem ein Temperaturstellglied 31 zur Heizung oder Kühlung angesteuert wird. Mit der Temperaturänderung des Mediums an- dert sich der Referenzdruck in der Referenzdruckkaituner 4 (Figur 1) der mit Hilfe der Membran 2 (Figur 1) mit dem Systemdruck P verglichen wird. Ein Glied 32 in dem Regelkreis gemäß Figur 3 repräsentiert Mittel zur Erfassung der Temperatur T des Mediums und das Sensorelement zur Erfassung der Auslenkung der Membran und zur Erzeugung des die Auslenkung repräsentierenden Lagesignals x, das, wie bereits oben erläutert, im gezeigten Ausführungsbeispiel der Brückenspannung entspricht. Mit Hilfe des Stellglieds 31 wird somit die Tempera- tur des Mediums in der Referenzdruckkammer derart eingestellt, dass das Lagesignal x den vorgegebenen Wert Null annimmt, bei welchem sich die Membran des Drucksensors gerade nicht verformt. Bei sich änderndem Systemdruck P wird die Temperatur T des Mediums durch den Regler 30 stets so nachge- führt, dass das Lagesignal x, und damit die Brückenspannung der piezoresistiven Brückenschaltung und die Materialspannungen in der Membran, auf Null geregelt werden. Im ausgeregelten Zustand herrscht nämlich ein Druckgleichgewicht zwischen den beiden Seiten der Membran.

Figur 4 zeigt den prinzipiellen Ablauf eines Zyklus zur Messung des Systemdrucks P. In einem Schritt Sl wird zunächst das Lagesignal x, wie anhand Figur 3 beschrieben, eingeregelt. Wenn das Lagesignal x den vorgegebenen Wert erreicht hat, wird zu einem Schritt S2 übergegangen, in welchem die Temperatur T des Mediums exakt gemessen wird. In einem Schritt S3 erfolgt anschließend die Ermittelung des Referenzdrucks anhand der abgespeicherten Dampfdruckkurve, welche die vorbekannte Temperaturabhängigkeit des Mediendrucks wieder- spiegelt. Mit Kenntnis des Referenzdrucks wird nun in einem Schritt S4 ein Wert des Systemdrucks P berechnet und beispielsweise an eine übergeordnete Leitstation ausgegeben. Somit wird über einen physikalisch fundamentalen, Stoffabhängigen und konstanten Zusammenhang, nämlich über die Dampfdruck- kurve des Mediums, der Wert des Systemdrucks P ermittelt und ausgegeben. Ist die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt, so wird über die gesamte Lebensdauer des Drucksensors kein Medium verbraucht und es findet auch keine Verun- reinigung des Mediums statt. Selbst geringe Leckagen sind tolerierbar, solange in der Referenzdruckkammer noch ein Zweiphasengemisch vorliegt.

Bei Befüllung der Referenzdruckkammer mit einem Zweiphasengemisch wird der Messbereich des Druckmessumformers wesentlich durch die Dampfdruckkurve des Mediums, das in diesem Fall auch als Flüssiggas bezeichnet werden kann, bestimmt. Bei der Auswahl des Flüssiggases ist darauf zu achten, dass der Dampfdruckbereich des Flüssiggases im mikrotechnisch handhabbaren Temperaturbereich für dotiertes Silizium liegt, das üblicherweise als Material für die Membran gewählt wird. Die untere und obere Messbereichsgrenze des Druckmessumformers sollten zudem nach Möglichkeit überlappt werden. Ein geeigne- tes Flüssiggas ist also je nach der Absolutgröße und Lage des Messbereichs auszuwählen. Für Hochdrucksensoren empfehlen sich beispielsweise Paraffine niederer Ordnung mit steiler Dampfdruckkurve und für Niederdrucksensoren Paraffine höherer Ordnung mit flacherer Dampfdruckkurve.

In Figur 5 sind Werte des Dampfdrucks für verschiedene Paraffine in einem Diagramm dargestellt. Auf der Abszisse ist die Temperatur in ⁰ C, auf der Ordinate der Druck P in Megapascal dargestellt. Werte desselben Paraffins sind mit denselben Symbolen eingezeichnet. Dabei gilt die folgende Zuordnung von mit Bezugszeichen versehenen Symbolen:

50 - Methan,

51 - Ethan, 52 - Propan,

53 - Butan,

54 - Pentan,

55 - Hexan,

56 - Heptan, 57 - Oktan,

58 - Nonan und

59 - Dekan. Selbstverständlich können die zu den einzelnen Paraffinen gehörenden Diagrammpunkte durch Interpolation zu einer Dampfdruckkurve miteinander verbunden werden, wie dies für das Beispiel Propan durch die Kurve 60 gezeigt ist.

Der Genauigkeitsvorteil und der Vorteil bezüglich der Langzeitstabilität gegenüber dem herkömmlichen Druckmessumformer SITRANS P soll an folgendem Zahlenbeispiel kurz erläutert werden. Betrachtet wird ein herkömmlicher Druckmessumformer SITRANS P mit einem Messbereich von 1 bar bis maximal 30 bar, einer Messunsicherheit, die 0,075% beträgt, das heißt maximal 22,5 mbar, und einer Langzeitstabilität von 0,25% über fünf Jahren, was einem Messfehler von maximal 75 mbar entspricht. Wird bei dem neuen Druckmessumformer zur Befüllung der Refe- renzdruckkammer nun Propan ausgewählt, so können aus der

Dampfdruckkurve 60 gemäß Figur 5 Vergleichswerte abgeleitet werden. Die Unsicherheit der Dampfdruckkurve 60 beträgt 0,02% vom Absolutwert. Dies entspricht bei 20° C entsprechend der Dampfdruckkurve 60 einem Druck von 8364 mbar mit einer Abwei- chung von maximal +/- 1,7 mbar. Eine Temperaturmessung mit einem Fehler von maximal +/- 0,02 K bedeutet damit eine Unsicherheit des gemessenen Druckwertes von insgesamt +/- 5 mbar. Der Messfehler ist damit deutlich geringer als beim herkömmlichen Druckmessumformer. Es folgt daraus, dass bei entspre- chend präziser Temperaturmessung der Druck wesentlich genauer gemessen werden kann. Die Langzeitstabilität des neuen Druckmessumformers ist ebenfalls deutlich besser als beim herkömmlichen Druckmessumformer SITRANS P, da die Referenzdruckkammer diffusionsdicht ausgeführt und die Temperaturmessung langzeitstabil ausgelegt werden kann.

Aufgrund des Messprinzips benötigt der Druckmessumformer keine Werkskalibrierung oder Rekalibrierung des Drucks, lediglich die Temperaturmessstelle muss im Werk kalibriert werden. Bei Verwendung eines langzeitstabilen Temperaturmesselements kann eine Rekalibrierung somit völlig entfallen. Die Temperaturabhängigkeit des Dampfdrucks ist gemäß Figur 2 im Speicher 21 der Auswerteeinrichtung 20 hinterlegt. Die mechanischen Anforderungen an die Membran 2 des in Figur 1 dargestellten Drucksensors sind vergleichsweise gering und lassen sich daher mit preiswerten Bauelementen realisieren. Ebenso ist die Einstellung der Temperatur derart, dass das Lagesignal des Drucksensors einem vorgegebenen Wert entspricht, mit Standardbauteilen ohne größeren Aufwand realisierbar. Eine Temperaturmessstelle mit der erforderlichen Genauigkeit ist bereits in einem herkömmlichen DruckmessUmformer SITRANS P integriert, da die Temperatur auf der Membran des Drucksensors erfasst und ihr Einfluss auf den Messwert kompensiert wird. Im Zustand eines Temperaturausgleichs innerhalb des Sensors entspricht diese zwar der Medientemperatur, dennoch ist es von Vorteil, einen Temperatursensor direkt für die Medientemperatur vorzusehen.

In vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem neuen Druckmessumformer somit um ein Druckmessgerät mit einem Drucksensor, der aufgrund der Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Temperatur eine langzeitstabile Druckreferenz besitzt. Die Druckmessung lässt sich auf eine Temperaturmessung zurückführen und durch eine Regelung wird im Drucksensor ein Gegendruck aufgebaut, der dem Systemdruck entspricht. Somit ist ein Drucksensor erhältlich, bei welchem die Sensormembran bei der Messung nicht verformt wird und daher frei von mechani- sehen Spannungen ist. Die Verwendung einer Dampfdruckkurve als Druckreferenz hat dabei den Vorteil, dass sie eine fundamentale, langzeitstabile Stoffeigenschaft darstellt, die für viele technisch relevante Stoffe hochgenau referenziert und beispielsweise für Propan mit einer Unsicherheit von 0,02% bekannt ist. Damit ist keine Druckkalibrierung im Werk und auch keine Rekalibrierung im Feld mehr notwendig. Ein weiterer Vorteil ist, dass die mechanischen Anforderungen an den Drucksensor eher gering sind und somit ein Einsatz preiswerter Sensoren ermöglicht wird. Die Realisierung eines Druck- sensors mit einer Druckreferenz auf der Basis der Dampfdruckkurve eines Mediums in der Referenzdruckkammer ist zudem in vorteilhafter Weise bereits mit vergleichsweise geringen Ab- Wandlungen des etablierten Druckmessumformers SITRANS P möglich.