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Die Erfindung betrifft einen Transmitter
zur Messung einer physikalischen Größe, z.B. eines Druckes oder
eines Differenzdruckes.
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Transmitter sind in der Meß- und Regeltechnik
sehr weit verbreitet und werden zur Steuerung- und/oder Regelung
in nahezu allen Zweigen der verarbeitenden Industrie eingesetzt.
In der Druckmeßtechnik
z.B. werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z.B. in der Chemie,
der Lebensmittelindustrie, der Automobilindustrie aber auch im Bereich
der Wasserversorgung, Transmitter zur Messung von Drücken oder
Differenzdrücken
eingesetzt.
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Transmitter weisen einen Sensor auf,
der eine physikalische Meßgröße erfaßt und in
ein elektrisches Signal umwandelt. Das elektrische Signal wird im
Transmitter aufbereitet und in ein Meßsignal umwandelt das über den
Transmitter einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige
zugänglich
ist.
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Je nach Anwendung sind Sicherheitsmaßnahmen
einzuhalten, wie z.B. regelmäßige Wartungen
der Transmitter oder Überprüfungen von
deren Funktionsfähigkeit
bzw. der Zuverlässigkeit
der von ihnen abgesetzten Meßsignale.
Diese Sicherheitsmaßnahmen
sind aufwändig
und teuer, da sie in der Regel den Einsatz eines Fachmannes vor
Ort erfordern.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
einen Transmitter anzugeben, der auf kostengünstige Weise einen auf Dauer
hohen Sicherheitstandart bietet.
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Hierzu besteht die Erfindung in einem
Transmitter mit
- – einem Satz von baugleichen
Sensoren zur Messung einer physikalischen Größe,
- – einem
Satz elektronischer Schaltungen,
- – von
denen jede einem Sensor zugeordnet ist,
- – die
dazu dienen, ein vom zugeordneten Sensor generiertes, der physikalischen
Größe entsprechendes,
elektrisches Signal aufzubereiten, und
- – einer
Ausgabeeinheit,
- – der
die aufbereiteten elektrischen Signale aller Sensoren zugeführt werden,
- – die
aus den aufbereiteten elektrischen Signalen ein Meßsignal
erzeugt und einer weiteren Auswertung, Verarbeitung und/oder Anzeige
zur Verfügung
stellt, und
- – die
eine Angabe über
eine Plausibilität
des Meßsignals
und/oder ein Angabe über
eine Funktionsfähigkeit
der einzelnen Sensoren erzeugt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das
Meßsignal
ein aus den elektrischen Signalen abgeleiteter Mittelwert, insb.
ein Median oder ein arithmetisches Mittel.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
wird das Meßsignal
aus den elektrischen Signalen abgeleitet, wobei solche Signale,
die von den übrigen
Signalen um mehr als ein vorgegebenes Maß abweichen, nicht einbezogen
werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind
die Sensoren Drucksensoren und einem oder mehreren benachbarten
Drucksensoren ist jeweils ein Temperatursensor zugeordnet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten
Ausgestaltung dienen die Temperatursensoren einer Kompensation eines
temperaturabhängigen
Meßfehlers.
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Gemäß einer Weiterbildung dient
die Auswerteeinheit dazu, eine Plausibilität von von den Temperatursensoren
erzeugten temperaturabhängige
Signale zu ermitteln.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind
die Sensoren Drucksensoren und zur Messung eines Differenzdrucks
zwischen einem ersten und einem zweiten Druck sind ein erster Satz
Sensoren zur Erfassung des ersten Drucks und ein zweiter Satz Sensoren
zur Erfassung des zweiten Drucks vorgesehen und die Ausgabeeinheit
bestimmt rechnerisch die Differenz des ersten und des zweiten Drucks.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind
die Sensoren in einem Batchprozeß hergestellte auf einer Basisplatte
angeordnete Sensoren.
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Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten
Ausgestaltung sind die elektronischen Schaltungen auf der Basisplatte
angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung gibt
der Transmitter eine Warnung ab, wenn die Funktionalität eines
Sensors eine vorgegebene Mindestfunktionalität unterschreitet.
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Gemäß einer Weiterbildung gibt
der Transmitter einen Alarm ab, wenn Plausibilität und/oder Funktionalität ein vorgegebenes
Mindestmaß unterschreiten.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß der
Transmitter sich selbst überwacht
und bei drohender Fehlfunktion frühzeitig eine Warnung abgibt. Dadurch
können
Wartungen und Funktionstests sehr viel wirtschaftlicher durchgeführt werden.
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Die Erfindung und weitere Vorteile
werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher
erläutert.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Transmitter;
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2 zeigt
eine Ansicht der Basisplatte mit den Sensoren, des in 1 dargestellten Transmitters;
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3 zeigt
ein Blockschaltbild für
den in 1 dargestellten
Transmitter; und
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4 zeigt
ein Blockschaltbild für
einen Differenzdruck-transmitter.
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1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Transmitter. Er weist ein
lediglich schematisch dargestelltes Gehäuse auf, in das ein Satz von
baugleichen Sensoren 1 eingefaßt ist. Die Sensoren 1 befinden
sich in einer in 2 einzeln dargestellten
Basisplatte 3 und dienen zur Erfassung einer physikalischen
Größe.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Sensoren 1 Drucksensoren. Die physikalische Größe ist somit
ein dem Sensor 1 zugeführter Druck.
Die Sensoren 1 weisen die Form einer in der Basisplatte 3 integrierten
druckempfindlichen Membran auf. In die Membran sind z.B. piezoresistive
Elemente eingebracht, die z.B. in Form von Widerstandsmeßbrücken zusammengeschaltet
werden.
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Es ist ein Satz elektronischer Schaltungen 5 vorgesehen,
von denen jede jeweils einem Sensor 1 zugeordnet ist. Jeder
Sensor 1 ist über
Anschlußleitungen
an die ihm zugeordnete elektronische Schaltung 5 angeschlossen.
Dies ist in 2 schematisch dargestellt.
Die elektronischen Schaltungen 5 sind auf der Basisplatte 3 angeordnet.
Vorzugsweise sind sie sogar in die Basisplatte 3 integriert.
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Die elektronischen Schaltungen 5 dienen dazu
die Sensoren 1 zu betreiben und ein vom zugeordneten Sensor 1 generiertes,
der physikalischen Größe entsprechendes,
elektrisches Signal aufzubereiten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das elektrische Signal z. B. eine Brückenspannung der Widerstandsmeßbrücke. Die
Sensoren 1 werden betrieben, indem z.B. die Widerstandsbrücke mit Strom
oder Spannung durch die elektronischen Schaltungen 5 gespeist
wird. Die Brückenspannung ist
ein Maß für eine Durchbiegung
der jeweiligen Membran, welche wiederum ein Maß für den auf die Membran einwirkenden
Druck ist. Die Aufbereitung des elektrischen Signals kann z.B. in
einer reinen Verstärkung
des elektrischen Signal bestehen. Es kann aber auch eine Transformation
des Signals vorgenommen werden oder eine Korrektur eines eventuell
vorhandenen Meßfehlers
vorgenommen werden.
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Das Gehäuse besteht in dem dargestellten Ausführungs-beispiel
aus zwei Teilen, einem Stützelement 7 und
einem Anschlußteil 9.
Das Stützelement 7 bildet
eine Auflage für
die Basisplatte 3 und schützt die Sensoren 1 vor äußeren Einflüssen. Das Stützelement 7 weist
im Bereich der Sensoren 1 jeweils Ausnehmungen 11 auf,
die an die Membranen angrenzende Hohlräume vorgeben. In diesen Hohlräumen herrscht
ein Referenzdruck, auf den der von den einzelnen Sensoren 1 zu
messende Druck p bezogen wird. Das Anschlußteil 9 dient dazu
jedem einzelnen Sensor 1 den zu messenden Druck p zuzuführen. Hierzu überdeckt
das Anschlußteil 9 die
gesamte Basisplatte 3 und weist dort, wo die Sensoren 1 angeordnet
sind jeweils eine Bohrung 13 auf, durch die hindurch der
zu messende Druck dem hinter der jeweiligen Bohrung 13 befindlichen
Sensor 1 zugeführt wird.
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In 3 ist
ein Blockschaltbild für
einen erfindungsgemäßen Transmitter
dargestellt. Die einzelnen Sensoren 1 erzeugen elektrische
Signale, die über
Anschlußleitungen
den elektronischen Schaltungen 5 zugeführt sind. Die von den elektronischen Schaltungen 5 aufbereiteten
Signale aller Sensoren 1 werden z.B. über einen Multiplexer 15 einer
Ausgabeeinheit 17 zugeführt.
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Die Ausgabeeinheit 17 erzeugt
aus den aufbereiteten elektrischen Signalen ein Meßsignal
und stellt dieses einer weiteren Auswertung, Verarbeitung und/oder
Anzeige zur Verfügung.
Zusätzlich
erzeugt die Ausgabeeinheit 17 eine Angabe über eine
Plausibilität
des Meßwerts
und/oder ein Angabe über
eine Funktionsfähigkeit
der einzelnen Sensoren 1. Hierbei werden die eingehenden aufbereiteten
elektronischen Signale vorzugsweise in digitaler Form von einem
Mikroprozessor verarbeitet.
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Beim Ausführungsbeispiel eines Drucktransmitters
sind vorzugsweise einem oder mehreren benachbarten Drucksensoren
jeweils ein Temperatursensor 19 zugeordnet. Ein der Temperatur
T am Sensorort entsprechendes Signal wird vorzugsweise mittels einer
elektronischen Schaltung 21 aufbereitet und über den
Multiplexer 15 der Ausgabeeinheit 17 zugeführt. Die
elektronischen Schaltungen 21 befinden sich vorzugsweise
ebenfalls auf der Basisplatte 3. Die Temperaturmessung
wird dann verwendet, um die einzelnen elektrischen Signale, die
aufbereiteten elektrischen Signale und/oder das endgültige Meßsignal
hinsichtlich eines temperatur-bedingten Meßfehlers zu kompensieren.
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Vorzugsweise dient die Auswerteeinheit 17 dazu,
eine Plausibilität
der von den Temperatursensoren 19 erzeugten temperaturabhängigen Signale zu
ermitteln. Dies bietet den Vorteil, daß nur ausreichend plausible
temperaturabhängige
Signale zur Kompensation zugelassen werden. Die Plausibilitätsabfrage
erfolgt z.B. indem alle temperaturabhängigen Signale mit einem Median
oder einem Mittelwert derselben verglichen werden und z.B. solche
die um mehr als ein vorgegebenes Maß, z.B. einer zu erwartenden
Streubreite, vom Median oder Mittelwert abweichen nicht einbezogen
werden.
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Das Meßsignal entspricht vorzugsweise
einem aus den elektrischen Signalen der einzelnen Sensoren 1 abgeleiteten
Mittelwert. Je nach Anwendung und Sensoreigenschaften eignen sich
z.B. ein Median oder ein arithmetisches Mittel. Durch die Mittelwertbildung
wird eine höhere
Genauigkeit und eine größere Zuverlässigkeit
des Meßergebnisses
erzielt.
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Vorzugsweise werden bei der Ableitung
des Meßsignals
solche Signale, die von den übrigen
Signalen um mehr als ein vorgegebenes Maß abweichen, nicht einbezogen.
Als Maß kann
z.B. ein geringes Vielfaches einer aufgrund der Meßgenauigkeit der
Sensoren zu erwartenden Streubreite der Meßsignale sein. Als Bezugspunkt
für dieses
Maß kann z.B.
der Median angesetzt werden. Liegt also ein Meßsignal um mehr als ein geringes
Vielfaches der zu erwartenden Streubreite vom Median entfernt, wird
es nicht zur Meßsignalerzeugung
herangezogen.
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Als Angabe über eine Plausibilität des Meßwerts kann
z.B. eine momentane Streubreite der einzelnen elektrischen Signale
rechnerisch bestimmt werden und im oder vom Transmitter zur Verfügung gestellt
werden. Bei der Bestimmung dieser Streubreite werden vorzugsweise
nur diejenigen Meßsignale
einbezogen, die auch zur Bestimmung des Meßsignals herangezogen werden.
Sind dabei weniger als eine fest vorgegebene Anzahl von Meßsignalen hierzu
zur Verfügung
wird vorzugsweise unabhängig von
der momentanen Streubreite dieser Meßsignale eine geringe Plausibilität festgesetzt.
Diese fest vorgegebene Anzahl hängt
von der Anzahl Sensoren 1 des Satzes ab und muß größer gleich
drei sein.
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Die Angaben zur Plausibilität können z.B.
immer parallel zum Meßsignal übertragen
oder nur bei Bedarf vom Benutzer abgefragt werden. Vorzugsweise
weist der Transmitter hierzu eine Schnittstelle auf über die
eine bidirektionale Kommunikation möglich ist.
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Die Funktionsfähigkeit der einzelnen Sensoren 1 ergibt
sich aus der Abweichung von deren aufbereitetem elektrischen Signal
im Vergleich zu dem endgültigen
Meßsignal.
Wird dabei nicht nur die momentane Abweichung in der Ausgabeeinheit 17 registriert,
sondern auch deren Verlauf über
die Zeit, wird z.B. eine Verschlechterung der Meßeigenschaften eines Sensors 1 offensichtlich.
Zur Registrierung des Verlaufs muß nicht jede einzelne momentane
Abweichung gespeichert werden. Es genügt, wenn zeitlich voneinander
weit entfernt liegende momentane Abweichungen registriert werden.
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Vorzugsweise gibt der Transmitter
eine Warnung ab, wenn die Funktionalität eines Sensors 1 eine
vorgegebene Mindestfunktionalität
unterschreitet. Auf diese Weise ist sehr frühzeitig erkennbar, wenn sich
die Meßeigenschaften
des Transmitters verschlechtern. Der Anwender erkennt dies somit lange
bevor ein akuter Handlungsbedarf besteht. Insb. auf großen Anlagen,
auf denen eine Vielzahl von Transmittern eingesetzt ist kann deren
Wartung bzw. Austausch oder Reparatur hierdurch wirtschaftlicher
gestaltet werden.
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Damit die Sicherheit zu keiner Zeit
eingeschränkt
ist, gibt der Transmitter zusätzlich
einen Alarm ab, wenn die Plausibilität des Meßsignals und/oder Funktionalität einer
vorgegebenen Anzahl von Sensoren ein vorgegebenes Mindestmaß unterschreiten.
Die vorgegebene Anzahl richtet sich auch hier nach der Anzahl der
Sensoren 1 im Satz und darf drei nicht unterschreiten.
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Mit einem erfindungsgemäßen Transmitter ist
sichergestellt, daß jederzeit
genügend
Sensoren 1 voll funktionsfähig sind, um ein Meßsignal
mit ausreichender Genauigkeit zu erzeugen. Damit ist die Notwendigkeit
der Anwesenheit eines Fachmannes vor Ort deutlich reduziert. Abstände zwischen
Wartungen können
deutlich vergrößert oder
sogar nur noch im vom Transmitter erkannten Bedarfsfall vorgenommen
werden. Dadurch können
erhebliche Kosten eingespart werden, ohne daß es zu einer Einbuße der Meßgenauigkeit
und der Sicherheit kommt.
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Auf völlig analoge Weise wie der
zuvor beschriebene Drucktransmitter kann auch ein Differenzdrucktransmitter
aufgebaut sein. Bei einem Differenzdrucktransmitter sind die einzelnen
Sensoren 1 ebenfalls Drucksensoren. Sie werden zur Messung eines
Differenzdrucks zwischen einem ersten und einem zweiten Druck p1,
p2 eingesetzt. Die Gesamtheit der zur Verfügung stehenden Sensoren 1 wird
in einen ersten und einen zweiten Satz Sensoren 23, 25 unterteilt.
Der erste Satz Sensoren 23 dient zur Erfassung des ersten
Drucks p1 und der zweite Satz Sensoren 25 zur Erfassung
des zweiten Drucks p2. 4 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors.
Wie bei dem zuvor beschriebenen Drucktransmitter werden die elektrischen
Signale der einzelnen Sensoren 1 von einer jeweils zugeordneten
elektronischen Schaltung 5 aufbereitet und über einen
Multiplexer einer Ausgabeeinheit 27 zugeführt. Die
Ausgabeeinheit 27 bestimmt den ersten und den zweiten Druck
p1, p2 genau wie die Ausgabeeinheit 17 des Drucktransmitters den
Druck p bestimmt. Im Anschluß daran
bildet die Ausgabeeinheit 27 rechnerisch die Differenz
des ersten und des zweiten Drucks p1, p2 und stellt das Ergebnis
als Meßsignal
zu einer weiteren Auswertung, Verarbeitung und/oder Anzeige zur
Verfügung.
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Die Plausibilität des Meßsignals ergibt sich aus der
Plausibilität
der einzeln bestimmten Drücke p1,
p2 und die Funktionalität
wird auch hier für
jeden Sensor 1 einzeln bestimmt. Warnung und Alarm werden
für jeden
Satz Sensoren 23, 25 einzeln herausgegeben.
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Erfindungsgemäße Transmitter lassen sich auf
besonders wirtschaftliche Weise herstellen, indem in einem Batchprozeß hergestellte
Sensoren, z.B. Halbleitersensoren, eingesetzt werden. Diese Sensoren
befinden sich durch den Herstellvorgang bedingt bereits auf einer
Basisplatte 3, nämlich
dem im Batchprozeß verwendeten
Träger.
Die elektronischen Schaltungen 5, 21 sind vorzugsweise
ebenfalls in den Träger
eingearbeitet. Diese Sensoren 1 bieten den Vorteil, daß der Träger vom
Batchprozeß direkt
in das Gehäuse
des Transmitters eingesetzt werden kann.