WO2007031516A1 - Druckmessumformer - Google Patents

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WO2007031516A1
WO2007031516A1 PCT/EP2006/066278 EP2006066278W WO2007031516A1 WO 2007031516 A1 WO2007031516 A1 WO 2007031516A1 EP 2006066278 W EP2006066278 W EP 2006066278W WO 2007031516 A1 WO2007031516 A1 WO 2007031516A1
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pressure sensor
pressure
measurement signal
measurement
transmitter
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PCT/EP2006/066278
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Inventor
Ralf Catanescu
Stefan Blickhan
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/007—Malfunction diagnosis, i.e. diagnosing a sensor defect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00—Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00
    • G01D18/002—Automatic recalibration
    • G01D18/006—Intermittent recalibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown

Definitions

  • the invention relates to a pressure transducer according to the preamble of claim 1.
  • measuring transducers for differential or absolute pressure are often used to control or monitor processes.
  • the pressure of the process medium is usually transferred via a separating membrane and a measuring chamber filled with silicone oil to a pressure sensor, which is designed as a piezoresistive silicon sensor.
  • the problem here is the limited Uberlastfahtechnik the pressure sensor. If the pressure sensor is loaded beyond the specified limits, for example with short-term pressure peaks, the pressure sensor can be destroyed.
  • a transmitter with a defective pressure sensor does not supply any or a faulty measured value in an automation system. This can lead to inferior quality of a product manufactured in the plant or to a plant standstill, especially if the measured value is relevant for the operational safety of the plant. In any case, significant costs are associated with a failure of the transmitter and this must be replaced immediately.
  • Pressure sensors supplied measured signals compared. If there is a significant deviation between the two measurement signals, this indicates an error of the pressure sensor or a Drucksensorzerstorung. If one of the two pressure sensors has failed, the transmitter can continue to operate with the sensor still functioning. For creeping or wear-related errors, this measure is effective.
  • the disadvantage is that in the event of an overload both pressure sensors are destroyed, since they are of essentially the same design and thus subject to their overloading capacity subject to the same restrictions.
  • the invention has for its object to provide a pressure transducer, which is characterized by a further improvement in availability.
  • the invention has the advantage that after a failure of the first pressure sensor, the measuring transducer can continue to supply measured values with the second pressure sensor, since its overload capacity is designed to be higher than that of the first pressure sensor.
  • this is not achieved with a reduced measurement accuracy of the transmitter with intact first pressure sensor.
  • the measuring range of the second pressure sensor is preferably designed so that it at least the Area of a permissible overload of the first pressure sensor covers. Its overload capacity is thus substantially higher than that of the first pressure sensor, so that it is largely ensured that the process pressure, which is normally within the measuring range of the first pressure sensor, does not exceed the overload capacity of the second pressure sensor. Even after the failure of the first pressure sensor due to an inadmissible overload condition, the transmitter can use the second pressure sensor to output a reading with possibly lower accuracy. The availability of the transmitter is thus significantly increased. An unscheduled downtime of an automation system can therefore often be avoided, since the continued operation of the transmitter with reduced measurement accuracy is possible. At the next scheduled plant shutdown, z. As in a cyclical maintenance, the replacement of the defective transmitter can be done by a device with two intact pressure sensors. The costs associated with a plant downtime can therefore be largely avoided.
  • An error of the first sensor can be done by comparing its measurement signal with the measurement signal of the second pressure sensor. If the pressure values corresponding to the two measurement signals are significantly different, there must be an error that is likely to have occurred at the first pressure sensor due to its lower overload capability. If the evaluation device has a device for breaking detection, which checks the state of one of the two pressure sensors, preferably of the first pressure sensor, it can additionally be determined which of the two pressure sensors supplies a faulty measuring signal. Such a breakage detection can already respond if the two pressure sensors still provide corresponding measurement signals, and thus contributes to error detection.
  • the device for breaking detection in the case of a faulty second pressure sensor due to an impermissible deviation of the two measuring signals, a wrong measured value on the basis of the second Pressure sensor is detected and output.
  • the additional break detection feature further improves the availability of the transmitter.
  • the operation of the device for breaking detection depends on the type of pressure sensor used. For example, in the case of a piezoresistive pressure sensor, an ohmic measurement of the individual resistance values can be carried out and the result evaluated to determine a rupture of the sensor membrane.
  • the evaluation device can advantageously be embodied such that in normal operation a calibration of the second pressure sensor takes place cyclically on the basis of the first measurement signal of the first pressure sensor. A minimization of the measurement error is thereby achieved if, in the case of a defect in the first pressure sensor, the second pressure sensor with lower sensitivity and generally lower accuracy of measurement serves to generate the measurement signal, on the basis of which the measured value is determined and output in the evaluation device.
  • Figure 1 is a sectional view of a transducer of a pressure transducer and Figure 2 is a block diagram of the pressure transducer.
  • a transducer 1 of a pressure transducer has, according to FIG. 1, a process connection 3 with which it can be connected to a pipeline or a container in an automation system.
  • a process medium with a pressure p is supplied to the transducer through an opening in the process connection 3.
  • the process medium reaches a separation membrane 4, by which the process medium is separated from a fullol, which is located in a measuring chamber 5.
  • the process pressure p is transferred hydrostatically to a first pressure sensor 6 and a second pressure sensor 7.
  • the two pressure sensors 6 and 7 generate a first measurement signal and a second measurement signal, respectively, which are transmitted to an evaluation device for further processing by electrical lines not shown in the figure for the sake of clarity.
  • the second pressure can be detected, for example, with further pressure sensors, not shown in the figure, and included in the evaluation.
  • the first pressure sensor 6 has a measuring range which is matched to the process pressures occurring at its place of use.
  • the second pressure sensor 7, however, has a further measuring range and a Uberlastfah- speed, which is considerably larger than that of the first pressure sensor 6.
  • the transducer 1 supplies a first measurement signal 9 of the first pressure sensor 6 and a second measurement signal 10 of the second pressure sensor 7 to an evaluation device 11. In this, the two measurement signals
  • a signal processing unit 12 for determining a measured value 13 further processed.
  • status messages relating to the state of the transmitter are additionally generated.
  • Status messages and measured value 13 are forwarded by an interface 14 via a bus system 15 to a control system 16 in which they are further processed for use in an automation system, for example as an actual value in a control loop.
  • the supplied measuring signals 9 and 10 in the signal processing unit 12 are compared with one another. The two measuring signals 9 and 9 diverge
  • a device 17 for breaking detection determines, for example by measurements on the lines, via which the first measuring signal 9 is transmitted to the evaluation device 11, whether the first
  • Pressure sensor 6 or its supply lines have been damaged.
  • this can be done by an ohmic measurement of the individual sensor elements and the supply lines.
  • the result of the breakage detection is forwarded by the device 17 to the signal processing unit 12, which incorporates this into the generation of the status messages as well as the measured value 13. Is an error of the first pressure sensor
  • the measured value 13 is determined exclusively on the basis of the second measuring signal 10 of the second pressure sensor
  • the passed measured value 13 is based exclusively on the first measuring signal 9 of the first pressure sensor 6.
  • the transmitter can continue to operate even in the event of failure of the first pressure sensor 6, for example because of an overload, unplanned system shutdowns are avoided.
  • the replacement of the faulty transmitter may occur at the next cyclical maintenance.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer, der zur Verbesserung der Verfügbarkeit zusätzlich zu einem ersten Drucksensor (6) mit einem zweiten Drucksensor (7) ausgestattet ist. Der zweite Drucksensor (7) weist eine höhere Überlastfähigkeit auf als der erste Drucksensor (6). Im Normalbetrieb wird ein Messwert anhand eines ersten Messsignals (9) des ersten Drucksensors (6) gebildet. Im Fehlerfall ist der Druckmessumformer aufgrund des zweiten Messsignals (10) des zweiten Drucksensors (7) mit verringerter Genauigkeit weiterbetreibbar und besitzt somit Notlaufeigenschaften.

Description

Beschreibung
Druckmessumformer
Die Erfindung betrifft einen Druckmessumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In automatisierungstechnischen Anlagen werden zur Regelung oder Überwachung von Prozessen vielfach Messumformer für Differenzdruck oder Absolutdruck eingesetzt. Der Druck des Prozessmediums wird im Messumformer meist über eine Trennmembran und eine mit Silikonol befullte Messkammer auf einen Drucksensor übertragen, der als ein piezoresistiver Siliziumsensor ausgeführt ist. Problematisch dabei ist die begrenzte Uberlastfahigkeit des Drucksensors. Bei einer Belastung des Drucksensors über die spezifizierten Grenzen hinaus, beispielsweise mit kurzzeitigen Druckspitzen, kann der Drucksensor zerstört werden. 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 fuhren oder zu einem Anlagenstillstand, insbesondere wenn der Messwert für die Betriebssicherheit der Anlage relevant ist. In jedem Fall sind erhebliche Kosten mit einem Aus- fall des Messumformers verbunden und dieser muss unverzüglich ausgetauscht werden.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Verfügbarkeit eines Druckmessumformers ist die Verwendung eines Drucksensors mit einem höheren Messbereich und damit mit einer höheren Uberlast- fahigkeit. Der Vorteil einer höheren Uberlastfahigkeit ist jedoch im Allgemeinen mit dem Nachteil einer verringerten Messgenauigkeit verbunden. Im Falle einer Verwendung des Druckmessumformers in einem Regelkreis wirkt sich dies ne- gativ auf die Regelgenauigkeit aus und verringert somit die Produktqualitat . Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Verfügbarkeit von Druckmessumformern ist aus der US 6 029 524 bekannt. Zwei im Wesentlichen gleiche Drucksensoren sind im Gehäuse des Messumformers eingebaut. Zur Feststellung eines Fehlers in einem der beiden Drucksensoren werden die von den beiden
Drucksensoren gelieferten Messsignale miteinander verglichen. Liegt eine signifikante Abweichung zwischen den beiden Messsignalen vor, so deutet dies auf einen Fehler des Drucksensors oder eine Drucksensorzerstorung hin. Ist einer der beiden Drucksensoren ausgefallen, so kann der Messumformer mit dem noch funktionsfähig verbleibenden Sensor weiterbetrieben werden. Bei schleichenden oder verschleißbedingten Fehlern ist diese Maßnahme wirkungsvoll. Nachteilig ist jedoch, dass im Fall einer Überlast beide Drucksensoren zer- stört werden, da sie im Wesentlichen gleich aufgebaut sind und somit bezuglich ihrer Uberlastfahigkeit denselben Beschrankungen unterliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckmess- umformer zu schaffen, der sich durch eine weitere Verbesserung der Verfügbarkeit auszeichnet.
Zur Losung dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des An- spruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteranspruchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass nach einem Ausfall des ersten Drucksensors der Messumformer mit dem zweiten Druck- sensor weiterhin Messwerte liefern kann, da dessen Uberlastfahigkeit hoher ausgelegt ist als diejenige des ersten Drucksensors. In vorteilhafter Weise wird dies nicht mit einer verringerten Messgenauigkeit des Messumformers bei intaktem erstem Drucksensor erkauft. Solange der erste Drucksensor mit der höheren Empfindlichkeit funktionsfähig ist, wird der
Messwert anhand des von diesem erzeugten ersten Messsignals ermittelt und ausgegeben. Der Messbereich des zweiten Drucksensors wird vorzugsweise so ausgelegt, dass er zumindest den Bereich einer zulassigen Überlast des ersten Drucksensors abdeckt. Seine Uberlastfahigkeit ist damit wesentlich hoher als diejenige des ersten Drucksensors, so dass weitgehend sichergestellt ist, dass der Prozessdruck, der im Normalfall innerhalb des Messbereichs des ersten Drucksensors liegt, nicht die Uberlastfahigkeit des zweiten Drucksensors übersteigt. Selbst nach dem Ausfall des ersten Drucksensors aufgrund eines unzulässigen Uberlastzustands kann der Messumformer mit Hilfe des zweiten Drucksensors einen Messwert mit eventuell geringerer Messgenauigkeit ausgeben. Die Verfügbarkeit des Messumformers wird somit wesentlich erhöht. Ein außerplanmäßiger Stillstand einer automatisierungstechnischen Anlage kann daher häufig vermieden werden, da der Weiterbetrieb des Messumformers mit reduzierter Messgenauig- keit möglich ist. Beim nächsten geplanten Anlagenstillstand, z. B. bei einer zyklischen Wartung, kann der Austausch des defekten Messumformers durch ein Gerat mit zwei intakten Drucksensoren erfolgen. Die mit einem Anlagenstillstand verbundenen Kosten können daher weitgehend vermieden werden.
Ein Fehler des ersten Sensors kann durch Vergleich seines Messsignals mit dem Messsignal des zweiten Drucksensors erfolgen. Liegen die den beiden Messsignalen entsprechenden Druckwerte wesentlich auseinander, muss ein Fehler vorhanden sein, der aufgrund seiner geringeren Uberlastfahigkeit mit großer Wahrscheinlichkeit beim ersten Drucksensor eingetreten ist. Wenn die Auswerteeinrichtung eine Einrichtung zur Brucherkennung aufweist, die den Zustand eines der beiden Drucksensoren, vorzugsweise des ersten Drucksensors, überprüft, kann zusatzlich bestimmt werden, welcher der beiden Drucksensoren ein fehlerhaftes Messsignal liefert. Eine derartige Brucherkennung kann bereits ansprechen, wenn die beiden Drucksensoren noch einander entsprechende Messsignale liefern, und tragt somit zu einer Fehlerfruherkennung bei. Weiterhin wird durch die Einrichtung zur Brucherkennung zuverlässig verhindert, dass bei einem fehlerhaften zweiten Drucksensor aufgrund einer unzulässigen Abweichung der beiden Messsignale ein falscher Messwert auf der Basis des zweiten Drucksensors ermittelt und ausgegeben wird. Durch die zusatzliche Einrichtung zur Brucherkennung wird die Verfügbarkeit des Messumformers daher weiter verbessert. Die Funktionsweise der Einrichtung zur Brucherkennung hangt vom jeweils ver- wendeten Typ des Drucksensors ab. Beispielsweise bei einem piezoresistiven Drucksensor kann eine ohmsche Messung der einzelnen Widerstandswerte durchgeführt und das Ergebnis zur Feststellung eines Bruchs der Sensormembran ausgewertet werden .
Die Auswerteeinrichtung kann mit Vorteil derart ausgebildet sein, dass im Normalbetrieb zyklisch anhand des ersten Messsignals des ersten Drucksensors eine Kalibrierung des zweiten Drucksensors erfolgt. Dadurch wird eine Minimierung des Mess- fehlers 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 der Messwert in der Auswerteeinrichtung ermittelt und ausgegeben wird.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden Ausgestaltungen und Vorteile naher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Schnittbild eines Aufnehmers eines Druckmessumformers und Figur 2 ein Blockschaltbild des Druckmessumformers.
Ein Aufnehmer 1 eines Druckmessumformers weist gemäß Figur 1 einen Prozessanschluss 3 auf, mit welchem er an eine Rohrleitung oder einen Behalter in einer automatisierungstechnischen Anlage anschließbar ist. Ein Prozessmedium mit einem Druck p wird dem Aufnehmer durch eine Öffnung im Prozess- anschluss 3 zugeführt. Im Innenraum eines Aufnehmergehauses 2 gelangt das Prozessmedium zu einer Trennmembran 4, durch welche das Prozessmedium von einem Fullol getrennt wird, das sich in einer Messkammer 5 befindet. Mit Hilfe des Fullols wird der Prozessdruck p hydrostatisch auf einen ersten Drucksensor 6 sowie einen zweiten Drucksensor 7 übertragen. Die beiden Drucksensoren 6 und 7 erzeugen ein erstes Messsignal bzw. ein zweites Messsignal, welche durch in der Figur der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte elektrische Leitungen an eine Auswerteeinrichtung zur weiteren Verarbeitung übertragen werden. Bei einem Aufnehmer mit variablem Referenzdruck oder bei einem Differenzdruckaufnehmer kann der zweite Druck beispielsweise mit weiteren, in der Figur nicht dargestellten Drucksensoren erfasst und in die Auswertung einbezogen werden. Der erste Drucksensor 6 besitzt einen Messbereich, der auf die an seinem Einsatzort auftretenden Prozessdrucke abgestimmt ist. Der zweite Drucksensor 7 hat dagegen einen weiteren Messbereich und eine Uberlastfahig- keit, welche erheblich großer als diejenige des ersten Drucksensors 6 ist.
Anhand Figur 2 wird im Folgenden die Funktionsweise des Druckmessumformers naher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Aufnehmer 1 liefert ein erstes Messsignal 9 des ersten Drucksensors 6 sowie ein zweites Messsignal 10 des zweiten Drucksensors 7 an eine Auswerteeinrichtung 11. In dieser werden die beiden Messsignale
9 und 10 in einer Signalverarbeitungseinheit 12 zur Bestim- mung eines Messwerts 13 weiterverarbeitet. In der Signalverarbeitungseinheit 12 werden zusatzlich 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. Zur Detektion eines Fehlers in einem der beiden Drucksensoren 6 oder 7 werden die gelieferten Messsignale 9 und 10 in der Signalverarbeitungseinheit 12 miteinander verglichen. Weichen die beiden Messsignale 9 und
10 zu sehr voneinander ab, liegt eine Störung in einem der beiden Drucksensoren 6 oder 7 vor. Bei einer nur geringfügigen Abweichung wird durch die Signalverarbeitungseinheit 12 der zweite Drucksensor 7 anhand des ersten Messsignals 9 zyklisch neu kalibriert. Eine Einrichtung 17 zur Brucherkennung stellt beispielsweise durch Messungen auf den Leitungen, über welche das erste Messsignal 9 an die Aus- Werteeinrichtung 11 übertragen wird, fest, ob der erste
Drucksensor 6 oder seine Zuleitungen Schaden genommen haben. Beispielsweise bei einem Drucksensor mit piezoresistiven Sensorelementen kann dies durch eine ohmsche Messung der einzelnen Sensorelemente und der Zuleitungen erfolgen. Das Ergebnis der Brucherkennung wird durch die Einrichtung 17 an die Signalverarbeitungseinheit 12 weitergegeben, welche dieses in die Erzeugung der Zustandsmeldungen sowie des Messwerts 13 einbezieht. Wird ein Fehler des ersten Drucksensors
6 festgestellt, so wird der Messwert 13 ausschließlich auf der Basis des zweiten Messsignals 10 des zweiten Drucksensors
7 gebildet. Im Normalbetrieb beruht der weitergegebene Messwert 13 dagegen ausschließlich auf dem ersten Messsignal 9 des ersten Drucksensors 6.
Da der Messumformer auch bei einem Ausfall des ersten Drucksensors 6, beispielsweise aufgrund einer Überlast, weiterbetrieben werden kann, werden ungeplante Anlagenstillstande vermieden. Der Austausch des defekten Messumformers kann bei der nächsten zyklischen Wartung erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Druckmessumformer
- mit einem ersten Drucksensor (6) zur Erzeugung eines ersten Messsignals (9) , das dem zu messenden Druck (p) eines gasformigen oder flussigen Mediums entspricht,
- mit einem zweiten Drucksensor (7) zur Erzeugung eines zweiten Messsignals (10) , das dem zu messenden Druck (p) des Mediums entspricht, und - mit einer Auswerteeinrichtung (11) zur Überwachung der Funktionsfahigkeit der beiden Drucksensoren (6, 7) und zur Ausgabe eines Messwerts (13) sowie eines Meldesignals im Fehlerfall, dadurch gekennzeichnet, - dass der zweite Drucksensor (7) eine höhere Uberlast- fahigkeit aufweist als der erste Drucksensor (6) und dass die Auswerteeinrichtung (11) dazu ausgebildet ist, den Messwert (13) im Normalbetrieb anhand des ersten Messsignals (9) und bei einem festgestellten Defekt des ersten Drucksensors (6) anhand des zweiten Messsignals (10) zu ermitteln.
2. Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (11) eine Einrichtung (17) zur Brucherkennung aufweist.
3. Druckmessumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (11) derart ausgebildet ist, dass im Normalbetrieb zyklisch eine Kalibrie- rung des zweiten Drucksensors (7) anhand der beiden Messsignale (9, 10) erfolgt.
PCT/EP2006/066278 2005-09-16 2006-09-12 Druckmessumformer WO2007031516A1 (de)

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