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Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer mit einer Messkammer, die durch eine Trennmembran von einem zu messenden Medium getrennt und zur Weiterleitung des Drucks zu einem Drucksensor mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Drucksensor ist bereits aus der
DE 103 42 368 A1 bekannt. Dort ist ein Druckmessumformer mit einem Gehäuse offenbart, in welchem eine Messmembran angeordnet ist, die einen Gehäuseinnenraum in eine Messkammer und eine Referenzkammer unterteilt. Jede Kammer ist mit einem Druckkanal versehen, der zu einer Trennmembran führt. Die Trennmembranen trennen die Messkammer bzw. die Referenzkammer von einem Prozessmedium. Die beiden Kammern sind mit einer Druckübertragungsflüssigkeit, beispielsweise einem Silikonöl, gefüllt. Zur Erzeugung eines elektrischen Messsignals, das sich in Abhängigkeit der anliegenden Druckdifferenz ändert, kann die Messmembran einen Drucksensor tragen, der beispielsweise aus Silizium ausgeführt und mit Dehnungswiderständen versehen ist. Durch eine Einrichtung zur Auswertung des Messsignals kann aus dem elektrischen Messsignal ein Messwert erzeugt und ausgegeben werden.
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Beim Einsatz von Druckmessumformern in prozesstechnischen Anlagen kann es vorkommen, dass eine Trennmembran durch das Prozessmedium chemisch angegriffen oder mechanisch beschädigt wird. Wenn ein Loch in der Membran entsteht, tritt das Prozessmedium in die Messkammer oder die Referenzkammer ein und gelangt zum Drucksensor, der empfindlich auf das Prozessmedium reagiert. Bevor ein Totalausfall auftritt, kann es während einer Übergangszeit zu fehlerhaften Messwerten kommen, die der Anwender nicht bemerkt. Dies kann in einer prozesstechnischen Anlage schwerwiegende Folgen haben. Weiterhin kann es durch das Prozessmedium zu Ablagerungen auf einer Trennmembran kommen, welche die Druckübertragung zum Sensor behindern. Dadurch entstehen Fehlmessungen, die durch den Anwender schwer feststellbar sind. Beispielsweise durch eine optische Inspektion, die einen vorherigen Ausbau des Druckmessumformers erfordert, sind derartige Fehler erkennbar.
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Damit eine Überwachung des Zustands einer Trennmembran bereits ohne Ausbau des Druckmessumformers ermöglicht wird, ist aus der eingangs genannten
DE 103 42 368 A1 bekannt, die Messkammer mit Mitteln zu versehen, durch welche ihr Volumen entsprechend einem im Wesentlichen vorbestimmten zeitlichen Verlauf veränderbar ist. Ein sich daraufhin einstellender Verlauf des Messsignals wird mit einem Referenzverlauf verglichen und bei erheblichen Abweichungen auf einen Membranfehler geschlossen. Als Mittel zur Veränderung des Messkammervolumens ist ein piezoelektrisches Element angeführt, welches sich an der Gehäusewand befindet und welches somit dem in der Messkammer herrschenden statischen Druck ausgesetzt ist. Bei hohem statischem Druck kann daher die Veränderung des Messkammervolumens erheblich erschwert oder sogar unmöglich gemacht werden. Die Durchführung einer Membrandiagnose ist somit bei dem bekannten Druckmessumformer stark abhängig von den jeweils herrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere von dem statischen Druck.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmessumformer zu schaffen, der eine Überwachung des Zustands einer Trennmembran mit verbesserter Unabhängigkeit vom jeweils herrschenden Betriebszustand des Druckmessumformers ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Druckmessumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Diagnose mit größerer Unabhängigkeit vom jeweils herrschenden Prozessdruck durchführbar ist. Ohne eine Krafteinwirkung befindet sich die Trennmembran in einem Druckgleichgewicht zwischen der Messkammer und dem Prozessmedium. Ein bei einer Auslenkung der Trennmembran erzeugtes Verschiebevolumen kann mit einer entsprechenden Auslenkung einer Mittenmembran, die auch als Messmembran bezeichnet wird, und im Falle eines Differenzdruckmessumformers zusätzlich mit einer entsprechenden Auslenkung einer zweiten Trennmembran verbunden sein. Eine Kenngröße des zur Auslenkung der Trennmembran erzeugten Kraftverlaufs wird zur Diagnose mit einer entsprechenden Kenngröße eines Referenzverlaufs verglichen, welche zuvor im Gutfall, d. h. im Falle einer fehlerfreien Membran, unter vergleichbaren äußeren Randbedingungen ermittelt und in der Auswerteeinrichtung hinterlegt wurde. Treten Veränderungen, wie beispielsweise Ablagerungen, Materialermüdung oder Risse, der Trennmembran auf, so wird sich die Kenngröße des Kraftverlaufs ebenfalls verändern. Zur Berücksichtigung der Abhängigkeit der Kenngröße von verschiedenen Betriebsbedingungen können charakteristische Kraftverläufe bei verschiedenen Betriebsbedingungen, insbesondere bei unterschiedlichen Prozessdrücken, aufgenommen und abgespeichert werden. Unterschiedliche Fehlerfälle führen zu jeweils abweichenden Veränderungen des Kraftverlaufs. Z. B. weist der Kraftverlauf bei Beschädigung der Membran Unstetigkeiten z. B. aufgrund sich erweiternder Risse, sich ändernden Medienflusses in die Messkammer oder Abplatzungen von Ablagerungen auf. Bei starken Ablagerungen auf der Trennmembran setzt die Trennmembran einer Auslenkung eine höhere Widerstandskraft entgegen, so dass eine Erhöhung der Kräfte im Kraftverlauf detektiert werden kann. Im Fall einer Leckage verringern sich dagegen dieser Widerstand und entsprechend auch die Größe der aufzuwendenden Kräfte im Kraftverlauf.
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Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil, dass die Mittel zur Krafterzeugung in oder an der Messkammer angeordnet und damit gegen ein eventuell aggressives Prozessmedium geschützt gelagert sind.
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Gegenüber der bekannten optischen Inspektion der Trennmembran hat die Erfindung den Vorteil, dass eine zuverlässige Aussage über den Zustand der Trennmembran gewonnen werden kann, ohne dass der Druckmessumformer vorher beispielsweise aus einer Rohrleitung ausgebaut werden muss. Damit kann die Diagnose quasi während des Betriebs des Druckmessumformers erfolgen. Zudem ist ein Alterungsprozess der Trennmembran erkennbar und es kann rechtzeitig darauf reagiert werden, bevor ein Ausfall des Druckmessumformers droht und es möglicherweise zu einem Stillstand der prozesstechnischen Anlage kommt, in welcher der Druckmessumformer betrieben wird. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass der durch einen erfindungsgemäßen Druckmessumformer gelieferte Messwert zuverlässiger wird, da Veränderungen der Trennmembran, beispielsweise Ablagerungen oder Materialabtragungen durch Korrosion oder Abrasion, die den Messwert verfälschen könnten, beim neuen Druckmessumformer durch Diagnose automatisch erkannt und gemeldet werden können. Zudem hat der neue Druckmessumformer den Vorteil, dass eine eventuelle optische Inspektion, die bei bestimmten Messmedien bisher erforderlich war, entfällt und somit die Überwachung des Zustands einer Trennmembran mit wesentlich geringerem Aufwand verbunden ist.
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In vorteilhafter Weise ist zur Erfassung des Kraftverlaufs beispielsweise dann keine spezielle Kraftsensorik erforderlich, wenn als Mittel zur Krafterzeugung ein elektromechanischer Linearantrieb verwendet wird, der durch die Auswerteeinrichtung angesteuert wird. Die Auswerteeinrichtung kann dann in vorteilhafter Weise den erzeugten Kraftverlauf und damit dessen zum Vergleich mit einer Referenz herangezogene Kenngröße anhand des Antriebsstroms bestimmen.
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Bei einem elektromechanischen Linearantrieb kann in vorteilhafter Weise eine weitere Kenngröße anhand der Antriebsspannung bestimmt und ausgewertet werden. Aus der induzierten elektrischen Spannung kann nämlich auf die Bewegungsgeschwindigkeit der Trennmembran geschlossen werden, insbesondere bei Verwendung eines elektrodynamischen Linearantriebs, so dass aus Strom und Spannung die erzeugte Kraft bzw. die Geschwindigkeit direkt geschätzt werden können. Die Auswertung der weiteren Kenngröße erlaubt eine Verbesserung der Zuverlässigkeit von Diagnoseaussagen. Bei starken Ablagerungen beispielsweise unterschreitet die Bewegungsgeschwindigkeit der Trennmembran einen im Gutfall zuvor aufgenommenen Referenzwert der Geschwindigkeit. Bei einer Leckage dagegen wird dieser überschritten, da die Trennmembran einer Bewegung einen geringeren Widerstand entgegensetzt.
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Eine Begrenzung der Auslenkung der Trennmembran durch eine vorbestimmte Endlage hat den Vorteil, dass die erzeugten Kraftverläufe für einen vorbestimmten Bereich der Auslenkung aufgenommen und mit entsprechenden Referenzverläufen verglichen werden können. Die Zuverlässigkeit der Diagnoseaussage kann dadurch weiter verbessert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die vorbestimmte Endlage durch einen mechanischen Anschlag festgelegt. Bei einem bekannten Verfahrweg bis zum Anschlag erübrigt sich damit eine Wegmessung. Der Anschlag kann beispielsweise durch ein Membranbett, auf welchem die Membran bei maximaler Auslenkung anliegt, oder als Verfahrweggrenze des Linearantriebs realisiert sein.
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In vorteilhafter Weise ist eine präventive Wartung eines Druckmessumformers vor einem bevorstehenden Ausfall möglich, wenn durch die Auswerteeinrichtung anhand von zeitlichen Veränderungen einer Kenngröße des sich einstellenden Verlaufs der erzeugten Kraft bei zeitlich beabstandeten, beispielsweise zyklisch durchgeführten Diagnosevorgängen eine Trendaussage ermittelt und ausgegeben wird, anhand welcher Wartungspersonal abschätzen kann, wann mit einem bevorstehenden Ausfall zu rechnen ist.
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Die zur Überwachung einer Trennmembran erforderlichen Funktionen einer Auswerteeinrichtung können ohne größeren Aufwand durch geeignete Ausgestaltung eines Betriebsprogramms einer Recheneinheit realisiert werden, wenn eine Auswerteeinheit auf der Basis eines Mikroprozessors verwendet wird. Die Herstellungskosten des Druckmessumformers werden somit vorteilhaft durch das neue Diagnoseverfahren kaum beeinflusst. Die Auswerteeinrichtung kann dabei durch dieselbe Recheneinheit realisiert sein, die bei einem Druckmessumformer ohnehin erforderliche Funktionen der Messwertverarbeitung und Kommunikation ausführt.
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Anhand der Figuren, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Schnittbild eines Prozessanschlusses mit integriertem Linearantrieb und
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2 ein Schnittbild eines Prozessanschlusses mit in die Gehäusewand eingebautem Linearantrieb.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Zeichnungen zeigen lediglich die Teile eines Druckmessumformers, die zur Implementierung der Erfindung gegenüber einem herkömmlichen Druckmessumformer verändert sind. Weitere Teile des Druckmessumformers, beispielsweise Drucksensor, Messmembran, Referenzkammer und eine Trennmembran auf der Referenzseite der Messzelle, können wie bei bekannten Absolutdruck- oder Differenzdruckmessumformern aufgebaut sein.
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In den 1 und 2 ist jeweils ein Teil einer Messkammer 1 dargestellt, die durch eine Trennmembran 2 von einem in einem Rohr 13 befindlichen Prozessmedium 3 getrennt ist, dessen Druck durch den Druckmessumformer erfasst und als Messwert an eine Anzeige oder an eine übergeordnete Leitstation in einer prozesstechnischen Anlage ausgegeben wird. Die Messkammer 1 befindet sich in einem Gehäuse 4, welches zudem zur Lagerung der Trennmembran 2 und eines Linearantriebs 5 dient. Durch den Linearantrieb 5 ist eine auf die Trennmembran 2 wirkende Kraft F erzeugbar, durch welche die Trennmembran 2 über eine Weglänge S bis zu einer Endlage 6 ausgelenkt werden kann. Die Lage der Endlage 6 ist durch eine Begrenzung des Verfahrwegs des Linearantriebs 5 bestimmt. Alternativ dazu ist es möglich, den Verfahrweg S durch ein Membranbett, gegen welches sich die Trennmembran 2 in der Endlage 6 anlegt, zu beschränken. Zur Durchführung einer Trennmembrandiagnose wird der elektrodynamische Linearantrieb 5 durch eine Auswerteeinrichtung 7 vorzugsweise derart angesteuert, dass die Trennmembran 2 eine definierte Auslenkung erfährt und die Endlage 6 erreicht. Durch Auswertung des dabei in den Linearantrieb 5 einzuspeisenden Stromes I ermittelt die Auswerteeinrichtung 7 den zeitlichen Verlauf der Kraft F, die zur Durchführung der Membranbewegung mit Hilfe des Linearantriebs 5 erzeugt werden muss. Anhand des Verlaufs berechnet die Auswerteeinrichtung 7 eine Kenngröße, welche mit einer entsprechenden Kenngröße eines Referenzverlaufs, der zuvor im Gutfall ermittelt und in einem Speicher 8 der Auswerteeinrichtung 7 hinterlegt wurde, verglichen wird, um eine Aussage über den Zustand der Trennmembran 2 zu treffen. Aus der induzierten elektrischen Spannung U wird zudem auf die Verfahrgeschwindigkeit des Linearantriebs 5 geschlossen. Treten Veränderungen, z. B. aufgrund von Ablagerungen auf der Trennmembran 2, einer Materialermüdung oder eines Risses der Trennmembran 2, auf, so verändert sich sowohl der Verlauf der erzeugten Kraft F als auch der zeitliche Verlauf der Verfahrgeschwindigkeit. Da die Veränderungen auch von äußeren Randbedingungen wie z. B. dem Prozessdruck abhängig sein können, sollte die Diagnose nur bei definierten Randbedingungen durchgeführt werden, für welche Referenzverläufe für den Fall einer fehlerfreien Trennmembran 2 vorliegen. Als Kenngrößen der Verläufe können beispielsweise Maximalwerte, Minimalwerte, Steigungen, Sprunghöhen an Unstetigkeitsstellen oder Zeitdauern von Übergängen berechnet und mit entsprechenden Kenngrößen der Referenzverläufe verglichen werden. Bei starken Ablagerungen beispielsweise überschreitet die Kraft einen anhand eines Referenzverlaufs ermittelten Schwellwert und die Bewegungsgeschwindigkeit unterschreitet einen der Bewegungsgeschwindigkeit zugeordneten, weiteren Schwellwert. Zur Detektion von sich erweiternden Rissen, sich änderndem Medienfluss in die Zelle oder von Abplatzungen von Ablagerungen auf der Trennmembran können Kenngrößen, die charakteristisch für Unstetigkeiten der Verläufe sind, herangezogen werden. Bei einem Loch oder einem Riss in der Trennmembran unterschreitet dagegen die Kraft einen vorbestimmten Schwellwert und die Bewegungsgeschwindigkeit überschreitet einen weiteren vorbestimmten Schwellwert. Dies sind nur Beispiele für Kenngrößen. In der Praxis ist es möglich, zur Überprüfung des Zustands der Trennmembran 2 vielfältige weitere Kenngrößen, die anhand des ermittelten Kraftverlaufs oder der Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt werden, mit entsprechenden Kenngrößen von Referenzverläufen zu vergleichen, um eine Diagnoseaussage über den Zustand der Trennmembran 2 zu treffen.
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Beim Einsatz des neuen Druckmessumformers in einer prozesstechnischen Anlage wird die gewonnene Diagnoseaussage über beispielsweise einen Feldbus 12 an eine in den Figuren nicht dargestellte Leitstation zur weiteren Verarbeitung übertragen. Bei einem auftretenden Membranfehler können somit durch das Bedien- oder Wartungspersonal geeignete Maßnahmen zur Fehlerbehandlung eingeleitet werden.
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In 1 ist eine Anordnung eines elektrodynamischen Antriebs 5 mittig in der Messkammer 1 dargestellt. Dabei befindet sich der Antrieb 5 vollständig geschützt innerhalb der Messzelle und ist in einer in 1 nicht näher dargestellten Weise im Gehäuse 4 fest gelagert.
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2 zeigt eine alternative Lagerung des Linearantriebs 5 in einer Seitenwand des Gehäuses 4. Damit die Linearbewegung einer Schubstange 9 des Linearantriebs 5 auf die Mitte der Trennmembran 2 umgelenkt wird, ist ein Hebel 10 vorgesehen, der um ein Gelenk 11 schwenkbar gelagert ist.
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Bei den 1 und 2 handelt es sich lediglich um schematische Darstellungen zur Verdeutlichung des Wirkprinzips. Selbstverständlich sind beliebige andere Anbringungsarten von Linearantrieben und Umsetzgetrieben möglich. Beispielsweise können Linearantriebe zum Einsatz kommen, die einen Durchmesser von 3 bis 4 mm, eine Länge von 10 bis 15 mm und eine Kraft von 3 bis 6 N bei einem Verfahrweg von 5 bis 10 mm aufweisen. Bei einer Geschwindigkeit von etwa 120 mm/min genügt zu deren Ansteuerung eine Leistung von weniger als 10 mW. Damit lässt sich eine Trennmembran eines Differenzdruckmessumformers mit einer Steifigkeit von ca. 20 kN/m in der gewünschten Weise auslenken. Vorzugsweise wird bei der Auslenkung ein Grenzwert der Bewegungsgeschwindigkeit nicht überschritten, damit ein in der Messzelle befindlicher Drucksensor keinen unzulässigen Belastungen ausgesetzt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10342368 A1 [0002, 0004]
