DE102004053884A1

DE102004053884A1 - Messwertaufnehmer mit Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102004053884A1
Application number: DE200410053884
Authority: DE
Inventors: Peter Jung; Robert Dr. Lalla; Thomas Uehlin; Jürgen Lange; Olaf Textor
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Ein Messwertaufnehmer umfasst einen Sensor zum Erfassen einer Messgröße und zum Ausgeben eines von der Messgröße abhängigen Primärsignals; einen ersten Temperatursensor, welcher ein erstes Temperatursignal ausgibt; einen zweiten Temperatursensor, welcher ein zweites Temperatursignal ausgibt, wobei der zweite Temperatursensor vom ersten Temperatursensor beabstandet ist; eine Korrektureinrichtung, welche ein die Messgröße repräsentierendes Zwischensignal generiert, welches von dem Primärsignal und dem ersten Temperatursignal abhängt; eine Temperaturanalyseeinrichtung, welche eine Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal herstellt, wobei abhängig von der Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal eine Korrektur des Zwischensignals mittels einer zweiten Korrektureinrichtung erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Messwertaufnehmer mit Temperaturkompensation. Messwertaufnehmer sind Geräte zum Erfassen einer Prozessgröße wie Druck, Massen- oder Volumendurchfluss eines Mediums, Füllstand, eines pH-Werts, einer Stoffkonzentration, usw. Diese Messwertaufnehmer können eine Temperaturabhängigkeit aufweisen, die das Primärsignal eines messgrößenspezifischen Sensors verfälscht und insoweit zu kompensieren ist.
Die Erfindung wird exemplarisch an Druckaufnehmern erläutert, sie bezieht sich aber gleichermaßen auf Messwertaufnehmer für andere Prozessgrößen.
Druckaufnehmer umfassen gewöhnlich eine Druckmesszelle die mit einem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Die Druckmesszelle wandelt den Druck in ein elektrisches oder optisches Primärsignal, welches mittels geeigneter Schaltungen analog und/oder digital aufbereitet wird. Es ist bekannt, dass die Temperatur eines Mediums dessen Druck gemessen wird bzw. allgemeiner die Umgebungstemperatur der Druckmesszelle einen Einfluss auf das Primärsignal der Druckmesszelle hat. Insoweit ist es üblich, einen Temperaturmesswert bei der Aufbereitung des Primärsignals zu berücksichtigen. Dies kann grundsätzlich an beliebigen Stellen des Signalpfads erfolgen. D.h. es kann beispielsweise das Primärsignal der Druckmesszelle um den Temperatureffekt korrigiert werden, bevor es weiter verarbeitet wird, oder es kann ein bereits aufbereitetes Signal in Abhängigkeit eines temperaturabhängigen Signals weiter verarbeitet werden.

In Anwendungsfällen bei denen ein Druckaufnehmer ausgeprägten Temperaturgradienten ausgesetzt ist, kann eine Korrektur mit einem einzigen Temperaturmesswert jedoch zu unbefriedigenden Ergebnissen hinsichtlich des ermittelten Druckmesswerts führen. Dies wird beispielsweise in der Patentschrift DE 39 33 512 C2 (Banholzer et al.) berücksichtigt, in der vorgeschlagen wird, neben der Temperatur der Druckmesszelle noch die Temperatur des Temperatur einer Trennmembran zu erfassen, die dem Medienruck ausgesetzt und von der Druckmesszelle beabstandet ist.

Die gängigen Methoden zur Kompensation von Temperaturfehlern bei inhomogenen Temperaturverteilungen sind jedoch sehr aufwendig, was einerseits den Speicherplatzbedarf und andererseits die Rechenzeit betrifft, da beide Temperaturmesswerte bei der Ermittlung des Druckmesswerts berücksichtigt werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Messwertaufnehmer, insbesondere Druckaufnehmer, bereitzustellen, der die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik überwindet. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Messwertaufnehmer gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Messwertaufnehmer umfasst
einen Sensor zum Erfassen einer Messgröße und zum Ausgeben eines von der Messgröße abhängigen Primärsignals;
einen ersten Temperatursensor, welcher ein erstes Temperatursignal ausgibt;
einen zweiten Temperatursensor welcher ein zweites Temperatursignal ausgibt, wobei der zweite Temperatursensor vom ersten Temperatursensor beabstandet ist;
eine Korrektureinrichtung, welche ein die Messgröße repräsentierendes Zwischensignal generiert, welches von dem Primärsignal und dem ersten Temperatursignal abhängt;
eine Temperaturanalyseeinrichtung, welche eine Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal herstellt, wobei abhängig von der Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal eine Korrektur des Zwischensignals mittels einer zweiten Korrektureinrichtung erfolgt.

Der Sensor kann beispielsweise eine Druckmesszelle, ein Durchflusssensor, ein Füllstandssensor o.ä. sein. Die Messgröße kann dementsprechend beispielsweise ein Druck, eine Durchflussrate, ein Füllstand o.ä. sein.

Die nachfolgenden Ausführungen stellen wieder auf Druckaufnehmer ab, sie gelten aber sinngemäß für andere Messwertaufnehmer.

Die Korrektureinrichtungen und die Temperaturanalyseeinrichtung können jede beliebige geeignete Form von analogen und oder digitalen elektronischen oder elektro-optischen Schaltungen sowie Software-Elemente aufweisen, wobei letztere in einem Mikroprozessor oder Signalprozessor ausgeführt werden können. Gleichermaßen sind Kombinationen der genannten Elemente zur Realisierung der Erfindung geeignet.

Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer kann weiterhin Mittel zur Aufbereitung, beispielsweise Linearisierung, des ersten und zweiten Temperatursignals aufweisen. Mit der Bezeichnung Temperatursignal kann dementsprechend im folgenden ein aufbereitetes bzw. linearisiertes Temperatursignal oder ein Rohsignal bezeichnen. Die Mittel zur Aufbereitung der Temperatursignale können beispielsweise in einer Sensorelektronik oder in die Temperaturanalyseeinrichtung integriert sein.

Die Temperaturanalyseeinrichtung kann in einer Weiterbildung der Erfindung beispielsweise eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal oder davon abhängigen Signalen bilden und diese Differenz zur weiteren Korrektur des Druckmesswertes der zweiten Korrektureinrichtung zuführen.

Bei einer Differenz von Null zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal kann die Korrektureinrichtung das Zwischensignal beispielsweise lediglich mit einer linearen temperaturunabhängigen Skalierungsfunktion skalieren. Die Skalierungsfunktion kann beispielsweise auch eine auch eine Konstante sein, die insbesondere den Wert eins annimmt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die Temperaturanalyseeinrichtung die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal mit mindestens einer Toleranzkenngröße, z.B. mindestens einem Toleranzwert, oder einem Toleranzband vergleichen. Sobald die Differenz den Toleranzwert über- bzw. unterschreitet oder außerhalb des Toleranzbandes liegt, wird die zweite Korrektur ausgelöst, in welche beispielsweise die Differenz oder eine Funktion der Differenz als Eingangsparameter eingehen kann.

Der Toleranzwert und das Toleranzband können fest vorgegeben oder eine Funktion des ersten Temperatursignals sein. In diesem Fall kann die Anpassung der Toleranzkenngrößen an den aktuellen Wert des ersten Temperatursignals mit einer niedrigeren Rate erfolgen als beispielsweise die Ermittlung eines Druckwertes.

Gleichermaßen kann die Temperaturanalyseeinrichtung die Beziehung zwischen dem ersten und zweiten Temperatursignal mit einer niedrigeren Rate ermitteln, als die Bestimmung eines Druckwerts. Dies ist gerechtfertigt, solange die Zeitskala der Temperaturänderungen wesentlich länger ist als die Zeitskala von Änderungen des zu messenden Drucks.

Die Erfindung realisiert damit, dass der Einfluss eines Temperaturgradienten nur dann in die Ermittlung eines Druckmesswertes eingeht, wenn dieser Gradient beachtlich ist.

In einer Ausgestaltung umfasst der Druckaufnehmer weiterhin eine Prozessankopplung, die räumlich beabstandet zur Druckmesszelle angeordnet ist. Der erste Temperatursensor ist so positioniert, dass er eine Temperatur der Druckmesszelle erfasst. Der erste Temperatursensor kann entweder in die Druckmesszelle integriert oder in der Nähe zur Druckmesszelle positioniert sein. Der zweite Temperatursensor ist nahe der Prozessankopplung positioniert, um eine Temperatur der Prozessankopplung zu erfassen.

In dieser Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Druckaufnehmer beispielsweise eine piezoresistive Druckmesszelle mit einer Brückenschaltung, wobei der erste Temperatursensor gemeinsam mit der Druckmesszelle auf einem Halbleiterbauelement, beispielsweise einem Si-Chip, integriert ist. Das Primärsignal der Druckmesszelle ergibt sich aus dem Brückendiagonalsignal und das Temperatursignal des ersten Temperatursensors aus der Brückenimpedanz.

Die Prozessankopplung kann beispielsweise einen hydraulischen Druckmittler mit einer flexiblen Trennmembran und einem Druckmittlerkörper umfassen, wobei der Druckmittlerkörper eine Druckkammer aufweist, welche von der Trenmmembran druckdicht verschlossen wird. Auf die Trennmembran wirkt im bestimmungsgemäßen Einsatz des Druckaufnehmers ein Prozessmedium ein, dessen Druck zu messen ist. Der Druck wird durch die Trennmembran bis auf einen Übertragungsfehler aufgrund der der nicht vernachlässigbaren Steifigkeit der Trennmembran in die Druckkammer übertragen. Dieser Übertragungsfehler wird nachfolgend als Trennmembranfehler bezeichnet. Der Trennmembranfehler weist eine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit auf, da das Volumen der Übertragungsflüssigkeit in dem hydraulischen Pfad temperaturabhängig ist und sämtliche Volumenschwankungen unter der Trennmembran aufgenommen werden müssen. Sofern die Trennmembran vertikal von der Druckmesszelle beabstandet sind, können gleichermaßen temperaturabhängige Dichteschwankungen der Übertragungsflüssigkeit beachtlich sein, da diese proportional in den hydrostatischen Druck des hydraulischen Pfades eingehen. Der zweite Temperatursensor, kann beispielsweise nahe der Druckkammer oder in der Druckkammer positioniert sein. Dies ist insoweit vorteilhaft, als die Druckkammer nahe an dem Prozessmedium positioniert ist, und das Prozessmedium eine häufige Ursache von Temperaturschwankungen ist. Zudem ist ein relativ großer Anteil der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer angeordnet. So dass die Temperatur der Übertragungsflüssigkeit in der Druckkammer für den Beitrag der Prozessankopplung zum Temperaturfehler bestimmend ist.

Sofern der Beitrag der Prozessankopplung zum Temperaturfehler größer ist als der Beitrag der Temperaturschwankungen der Druckmesszelle, kann es vorteilhaft sein, mit dem ersten Temperatursensor eine Temperatur der Prozessankopplung zu erfassen und ihn entsprechend zu positionieren. Mit dem zweiten Temperatursensor ist dann entsprechend eine Temperatur der Druckmesszelle zu ermitteln.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Druckaufnehmer eine Druckmesszelle, die im Betrieb unmittelbar einem Prozessmedium ausgesetzt werden kann. In diesem Fall dient also die Druckmesszelle selbst als Prozessankopplung. Zumindest ein Teil der Schaltungen zur Realisierung der ersten und zweiten Korrektureinrichtungen und der Temperaturanalyseeinrichtung ist beabstandet von der Druckmesszelle angeordnet. Der erste Temperatursensor ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung nahe der Druckmesszelle angeordnet oder in diese integriert. Der zweite Temperatursensor erfasst eine Temperatur der beabstandet zur Druckmesszelle angeordneten Schaltungen. Zu diesem Zweck ist er nahe den Schaltungen angeordnet oder in diese integriert.

Der erfindungsgemäße Druckaufnehmer kann weiterhin eine Ausgabeeinheit umfassen, welche den korrigierten Druckmesswert ausgibt oder anzeigt.

Bei der Verarbeitung des Primärsignals des Drucksensors durch die erste Korrektureinrichtung kann neben der Temperaturkompensation anhand des ersten Temperatursignals zugleich eine Linearisierung erfolgen, so dass das Zwischensignal bis auf Einflüsse einer Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal eine lineare Funktion des Druckes ist.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers; und
2: Ein Blockdiagramm der Schaltungskomponenten eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers.
Der Druckaufnehmer in 1 umfasst ein Sensormodul 1, in dem eine piezoresistive Druckmesszelle 2 in einer Messzellenkammer angeordnet ist. Die Signale der Druckmesszelle enthalten einerseits Druckinformationen (Brückendiagonalsignal) und andererseits Temperaturinformationen (Brückenimpedanz). Die Signale der Druckmesszelle werden zunächst einer Sensorelektronik 25 zugeführt, in welcher eine erste Aufbereitung der Sensorsignale erfolgt, beispielsweise eine Digitalisierung.
Der Druckaufnehmer umfasst weiterhin ein Prozessankopplungsmodul, welches in diesem Fall als einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper 6 umfasst. An einer Stirnfläche des Druckmittlerkörpers 6 ist eine Trennmembran 7 befestigt, wobei zwischen Trennmembran 7 und Druckmittlerkörper eine Druckkammer 8 ausgebildet ist. Von der Druckkammer 8 erstreckt sich ein hydraulischer Pfad zur Messzellenkammer. Der hydraulische Pfad umfasst eine Kapillarleitung 9, die sich zwischen dem Sensormodul und dem Druckmittlerkörper 6 erstreckt. Das Prozessankopplungsmodul umfasst weiterhin einen zweiten Temperatursensor 10, der in einem Sackloch in dem Druckmittlerkörper angeordnet ist, so dass er eine Temperatur des Druckmittlerkörpers in der Nähe der Druckkammer 8 erfasst. Das Ausgangssignal des zweiten Temperatursensors 10 wird der Sensorelektronik 25 über eine elektrische Leitung als ein zweites Temperatursignal zugeführt.
Das zweite Temperatursignal wird von der Sensorelektronik ebenfalls aufbereitet, beispielsweise digitalisiert.
Die aufbereiteten Signale werden anschließend beispielsweise über eine digitale Schnittstelle einer Hauptelektronik 3 zugeführt. Die Hauptelektronik umfasst die erste und zweite Korrektureinrichtung, die Temperaturanalyseeinrichtung sowie eine Ausgabeeinheit.
Der korrigierte Druckmesswert wird über die Ausgabeeinheit, beispielsweise ein 4...20 mA Stromregler ausgegeben.
Der Ablauf der Korrektur des Druckmesswertes wird nun anhand von 2 erläutert. Das Primärsignal P des Drucksensors 21 und das erste Temperatursignal T1 des ersten Temperatursensors 22 werden (ggf. nach einer Aufbereitung durch die Sensorelektronik 25) der ersten Korrektureinrichtung 31 zugeführt. Die erste Korrektureinrichtung 31 führt eine Linearisierung und eine Temperaturkompensation des Primärsignals anhand eines Polynommodells durch. Das Resultat wird als Zwischensignal einer zweiten Korrektureinrichtung 33 zugeführt. Die zweite Temperatureinrichtung empfängt außerdem ein Signal von einer Temperaturanalyseeinrichtung 32, die im einfachsten Fall eine Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal T1 und einem zweiten Temperatursignal T2 eines zweiten Temperatursensors T2 bildet und dieses Differenzsignal ausgibt. Die zweite Korrektureinrichtung 33 führt eine weitere Korrektur des Zwischensignals anhand eines Gradientenmodells durch, welches den Einfluss von Temperaturgradienten auf den Messwert berücksichtigt.
Der solchermaßen korrigierte Wert wird über eine Ausgabeeinheit 34 ausgegeben.

Claims

Messwertaufnehmer umfassend: Einen Sensor zum Erfassen einer Messgröße und zum Ausgeben eines von der Messgröße abhängigen Primärsignals; einen ersten Temperatursensor, welcher ein erstes Temperatursignal ausgibt; einen zweiten Temperatursensor welcher ein zweites Temperatursignal ausgibt, wobei der zweite Temperatursensor vom ersten Temperatursensor beabstandet ist; eine Korrektureinrichtung, welche ein die Messgröße repräsentierendes Zwischensignal generiert, welches von dem Primärsignal und dem ersten Temperatursignal abhängt; eine Temperaturanalyseeinrichtung, welche eine Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal herstellt, wobei abhängig von der Beziehung zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal eine Korrektur des Zwischensignals mittels einer zweiten Korrektureinrichtung erfolgt.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 1, wobei der Messwertaufnehmer ein Druckaufnehmer ist, der Sensor eine Druckmesszelle umfasst, und die Messgröße ein Druck ist.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: Mittel zur Aufbereitung, beispielsweise Linearisierung, des ersten und zweiten Temperatursignals aufweisen.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperaturanalyseeinrichtung eine Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal oder davon abhängigen Signalen bildet und diese Differenz zur weiteren Korrektur der Messgröße, bzw. des Druckmesswertes der zweiten Korrektureinrichtung zuführt.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 4, wobei bei einer Differenz von Null zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal die Korrektureinrichtung das Zwischensignal lediglich mit einer linearen temperaturunabhängigen Skalierungsfunktion skaliert, wobei die Skalierungsfunktion eine auch eine Konstante sein kann kann.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 4, wobei die Temperaturanalyseeinrichtung die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatursignal mit mindestens einer Toleranzkenngröße, vergleicht.
Messwertaufnehmer nach Anspruch 6, wobei die Toleranzkenngröße eine Funktion des ersten Temperatursignals ist.
Druckaufnehmer nach Anspruch 2 oder einem davon abhängigen Anspruch, weiterhin umfassend: eine Prozessankopplung, die räumlich beabstandet zur Druckmesszelle angeordnet ist, wobei der erste Temperatursensor so positioniert ist, dass er eine Temperatur der Druckmesszelle erfasst, und der zweite Temperatursensor so positioniert ist, dass er eine Temperatur der Prozessankopplung erfasst.
Druckaufnehmer nach Anspruch 8, wobei die Druckmesszelle eine piezoresistive Druckmesszelle ist.
Druckaufnehmer nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Prozessankopplung einen hydraulischen Druckmittler umfasst.
Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Druckmesszelle im Betrieb unmittelbar einem Prozessmedium ausgesetzt ist, und zumindest ein Teil der Schaltungen zur Realisierung der ersten und zweiten Korrektureinrichtungen und der Temperaturanalyseeinrichtung beabstandet von der Druckmesszelle angeordnet ist.
Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei bei der Verarbeitung des Primärsignals des Drucksensors durch die erste Korrektureinrichtung neben der Temperaturkompensation anhand des ersten Temperatursignals zugleich eine Linearisierung erfolgt.