DE29521582U1 - Geber mit Detektion von Füllfluidverlust - Google Patents

Description

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u. Z.:.B 1785 GM-DE/DE (Geänderter Anmeldungstext)
Rosemount Inc.

Geber mit Detektion von Füllfluidverlust

Die Erfindung betrifft Meßgeber, die in der Prozeßleitindustrie verwendet werden, und insbesondere solche Geber, die Drucksensorzellen haben, die mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid, z. B. Öl, gefüllt sind.

Bekannte Druckgeber der Prozeßleitindustrie empfangen ein Prozeßfluid und liefern eine Ausgabe als Darstellung des Drucks eines solchen Fluids. In Gebern, die für die Erfindung von Interesse sind, wirkt der Prozeßfluiddruck auf eine nachgiebige Isolatormembran des Gebers, wobei er sie zu einer Grundplatte drückt. Der Raum zwischen der Isolatormembran und der Grundplatte sowie normalerweise ein den Raum mit einem Drucksensor verbindender Durchgang sind mit einem im wesentlichen inkompressiblen Fluid, z. B. Silikonöl, gefüllt. Dieses den Raum füllende Fluid wird hierin als "Füllfluid" bezeichnet. Mittels der Isolatormembran kommuniziert der Prozeßfluiddruck mit dem Drucksensor über das Füllfluid. Anschließend gibt der Drucksensor ein Signal als Darstellung des Füllfluiddrucks und damit auch des Prozeßfluiddrucks aus.

Allerdings kann in manchen Fällen durch Korrosion oder physische Beschädigung der Isolatormembran oder von Abdichtungen anderswo im Geber ein Teil des Füllfluids aus seiner einschließenden Struktur austreten. Dieser Füllfluidverlust kann sowohl die statische Genauigkeit als auch je nach Menge des verlorenen Fluids und Betriebsbedingungen die Ansprechzeit des Gebers beeinträchtigen, was zu separaten statischen und dynamischen Ausgabefehlern führt.

Für viele Geber läßt sich Füllfluidverlust in mindestens zwei verschiedenartige Stadien unterteilen: ein anfängliches Stadium und ein fortgeschrittenes Stadium. Im Anfangsstadium, in dem der Füllfluidverlust relativ klein ist, funktioniert der Geber noch im wesentlichen vollständig. Beobachten läßt sich eine kleine Verschiebung oder langsame Drift der Geber-

ausgabe, aber der Geber arbeitet gewöhnlich im wesentlichen innerhalb seiner Betriebskenndaten. Der die Drift verursachende physikalische Mechanismus ist eine Änderung des Füllfluiddrucks infolge der Freisetzung von Füllfluid; seinerseits bewirkt der geänderte Füllfluiddruck eine Verschiebung der Drucksensorausgabe. In manchen Industriebereichen wird gegenwärtig die "Nullverschiebung" (Drift) eingebauter Geber regelmäßig überwacht, um Füllfluidverlust in diesem Anfangsstadium zu detektieren, bevor die Leistung wesentlich beeinträchtigt ist. In der Praxis bedeutet dies, daß der Geber vom Prozeß abgekoppelt, kalibriert und sein Trendschrieb ("Trendchart ") erfaßt werden muß.

Das fortgeschrittene Fluidverluststadium ist durch einen so starken Fluidverlust gekennzeichnet, daß anomales Verhalten in der Geberausgabe verursacht wird. Ein Beispiel für anomales Verhalten tritt in Gebern auf, in denen der Drucksensor von der Art ist, bei der jede Isolatormembran eine Füllfluidmenge zum Drucksensor injiziert oder von diesem empfängt, wenn der Differenzdruck des Prozeßfluids schwankt. Wird ein solcher Geber einer schnellen Änderung des Differenzdrucks des Prozeßfluids ausgesetzt, so wird das Füllfluid unter einem der Isolatoren durch eine Öffnung in der Grundplatte bei seinem Fluß zum Drucksensor gedrückt oder gesaugt. Je nach verlorener Füllfluidmenge, Geschwindigkeit des Druckanstiegs und Größe des Druckanstiegs kann die Wirkung des durch die Öffnung ablaufenden Füllfluids die Isolatormembran herabziehen, so daß sie nahezu die Öffnung abdichtet, wodurch zeitweilig Füllfluid zwischen der Isolatormembran und der Grundplatte eingefangen und der Fluß von mehr Füllfluid zum Drucksensor stark behindert wird. Die resultierende Geberausgabe folgt der schnellen Druckänderung des Prozeßfluids nur sehr kurzzeitig und erfährt danach eine sehr langsame Änderung ihrer Ausgabe in Richtung auf ihren erwarteten Wert, wenn Füllfluid langsam an der "Abdichtung" vorbei zum Drucksensor wandert. Interessant ist, daß eine schnelle Druckänderung in Gegenrichtung (die bewirkt, daß Füllfluid aus der Öffnung in der Grundplatte ausgestoßen und nicht in sie ein-

gezogen wird) nicht diese Anomalie zeigt. Zum fortgeschrittenen Stadium des Füllfluidverlusts gehören auch Situationen, in denen so viel Füllfluid verloren ging, daß der Geber nie seine erwartete Ausgabe für bestimmte angelegte Drücke aufgrund eines Füllfluidmangels zur Injektion in den Drucksensor erreicht, auch wenn die Isolatormembran an die Grundplatte über die gesamte Oberfläche des Isolators gedrückt ist.

Wenngleich verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Detektion von Füllfluidverlust vorgeschlagen wurden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung bereitzustellen, die bequem und zuverlässig Fluidverlust detektieren kann, vorzugsweise im Anfangsstadium des Fluidverlusts, bevor die Geberleistung wesentlich beeinträchtigt ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Geber gemäß den Schutzansprüchen gelöst.

Gemäß einem weitgefaßten Aspekt der Erfindung weist ein Geber mit einem Drucksensor, der durch ein Füllfluid mit einer Isolatomembran gekoppelt ist, einen Positionssensor auf, der in der Nähe der Isolatormembran angeordnet ist, um eine Position der Isolatormembran zu überwachen und dadurch Austreten von Füllfluid zu überwachen. Durch die Isolatorposition wird Füllfluidverlust angezeigt, da bei einem bestimmten angelegten Druck und einer bestimmten Umgebungstemperatur Füllfluidverlust bewirkt, daß sich die Position der Isolatormembran ändert. In bevorzugten Ausführungen weist der Positionssensor einen kapazitiven oder Ultraschallwandler auf, die die Isolatormembran für eine genaue Positionsmessung nicht zu kontaktieren brauchen und die daher als "kontaktlose" Positionssensoren charakterisiert sind. In anderen Ausführungsformen weist der Positionssensor einen Kontaktsensor auf, z. B. einen Schalter, der als einen seiner Kontaktpunkte die Isolatormembran haben kann.

Gemäß einem weiteren weitgefaßten Aspekt der Erfindung hat ein Geber einen Drucksensor, der mit einer Isolatormembran durch ein Füllfluid gekoppelt ist, wobei der Geber auch eine Füllfluidverlust überwachende Vorrichtung hat. Vorteilhaft können der Drucksensor und die Fluiduberwachungsvorrich-

tung im wesentlichen die gleiche Meßtechnik nutzen, z. B. eine auf Kapazität beruhende Technik. Durch Einsatz der gleichen Meßtechnik kann ein Duplikat-Meßschaltungsaufbau rationell verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung überwacht ein Zweidrahtgeber Füllfluidaustritt durch automatisches oder periodisches Messen eines Parameters als Anzeige für Füllfluidverlust und Bereitstellen eines Alarmsignals, wenn der Parameter einen voreingestellten Wert überschreitet.

Die Erfindung wird anhand der näheren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer Ausfuhrungsform der Erfindung, die teilweise im Schnitt und teilweise in Blockform dargestellt ist;

Fig. 2 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Detektieren von Füllfluidverlust gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine der Ansicht von Fig. 1 ähnelnde Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine weggeschnittene Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 und 6 Schnittansichten noch weiterer Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 7a und Fig. 7b einen Schaltplan einer herkömmlichen Kapazitätsmeßschaltung, die zur Verwendung mit den Ausführungsformen von Fig. 5 und 6 abgewandelt wurde;

Fig. 7c ein Diagramm des Verhaltens der Ausgabe der Schaltung von Fig. 7a und Fig. 7b als Funktion des Prozeßfluiddrucks;

Fig. 8 eine Explosionsansicht eines bekannten Druckgebers, der mit Flanschen ausgestattet ist;

Fig. 9 eine grobe Schnitt- und blockschaltbildartige Ansicht zusätzlicher Ausführungsformen der Erfindung; und

Fig. 10 eine Ansicht eines bekannten Druckgebers, der teilweise im Schnitt und teilweise in Blockform dargestellt ist.

Der Einfachheit halber sind Positionen in den Zeichnungen mit dem gleichen Bezugssymbol gleich oder erfüllen die gleiche oder eine ähnliche Funktion.

In Fig. 10 hat ein bekannter Druckgeber 10 ein Gebergehäuse mit einem Sockel 12 und einem in Fächer eingeteilten Körper 14 mit Deckeln 16 die auf seine gegenüberliegenden Enden aufgeschraubt sind. Nicht gezeigte Außeninstallationen führen zwei Quellen eines Prozeßfluids in Kontakt mit Isolatormembranen 18L, 18H. Die Prozeßfluidquellen üben Drücke &Rgr;&khgr;, und Pjj auf die Membranen 18L bzw. 18H aus. Eine erste Menge von Füllfluid 22L überträgt den Druck P_L zu einem Ende eines Drucksensors 24, und eine zweite Menge von Füllfluid 22H überträgt P₁₁ zum anderen Ende des Drucksensors 24. Die Füllfluide 22L, 22H füllen einen Raum 28L, 28H zwischen der Isolatormembran 18L, 18H und einer Grundplatte bzw. Anschlagfläche 32L bzw. 32H. Wie aus ihrem Namen hervorgeht, werden die Isolatormembranen 18L, 18H verwendet, um den Drucksensor 24 von direktem Kontakt mit dem Prozeßfluid zu isolieren, während eine Druckübertragung zum Sensor über das Füllfluid möglich ist.

Der Drucksensor 24 ist eine Dxfferenzdruckzelle vom Kapazitätstyp, deren Kapazität eine Funktion des Differenzdrucks &Dgr;&Rgr; = Pjj - Pl ist. Für die Zwecke der Erfindung können andere bekannte Drucksensoren, die mit Isolatormembranen fluidgekoppelt sind, mit der Erfindung verwendet werden, z. B. Dehnungsmesser oder Drucksensoren auf optischer Basis.

Zuleiter 36 verbinden den Drucksensor 24 mit einer Vorleiterplatte 38, die ihrerseits über eine Leitung 40 mit einer Geberschaltung 42 verbunden ist. Eine externe Gleichstromversorgung (siehe Fig. 7b) speist die Schaltung 42 über ein verdrilltes Leiterpaar 44, das in den Geber 10 durch einen Anschluß 46 eintritt. Die Schaltung 42 kommuniziert die Prozeßvariable &Dgr;&Rgr; durch Regulieren des über das Leiterpaar 44 fließenden Gleichstroms zwischen 4 und 20 Milliampere als Funktion der gemessenen Kapazität. Außerdem kann die Schaltung 42 digital mit einer Steuereinheit über das Leiterpaar 44 durch bekannte digitale Protokolle kommunizieren, z. B.

das HART®-Protokoll. Der Geber 10 kann auch ein Platin-Widerstandsthermometer (PRT) 48 aufweisen, das im Gebersockel 12 angeordnet ist, wobei das PRT eine Temperatur als Anzeige der Temperatur des Drucksensors 24 und der Isolatormembranen 18L, 18H mißt. Natürlich sind mit der Erfindung alternative Temperatursensortechnologien verwendbar, z. B. Thermopaare. Die Schaltung 38 empfängt die Ausgabe vom PRT 48, und die Schaltung 42 verwendet diese Ausgabe, um die Geberausgabe &Dgr;&Rgr; für temperaturabhängige Fehler in der Kapazitätsmessung zu korrigieren.

Ein Geber 50 in Fig. 1 ähnelt dem Geber von Fig. 10 mit der Ausnahme, daß er eine Einrichtung zum Messen von Relativpositionen der Isolatormembranen 18L, 18H aufweist. Ultraschallwandler 52L, 52H, die fest mit einer Innenfläche des Gebersockels 12 verbunden sind, koppeln einen Impuls aus Ultraschallwellen oder -schwingungen 54L, 54H (normalerweise zwischen 1 und 50 MHz) in den Gebersockel 12 ein. Die Schwingungen erfahren eine erste Reflexion an der Grenze zwischen Gebersockel und Füllfluid (d. h. an der Grundplatte) sowie eine zweite Reflexion an der Grenze zwischen Füllfluid und Isolatormembran. Die Ultraschallwandler detektieren die Reflexionen und übermitteln sie getrennt zu einer kombinierten Treiber-/Detektionsschaltung 56. Die Schaltung 56 mißt die Zeitintervalle zwischen den Reflexionen, wobei die Zeitintervalle den Abstand zwischen jeder Isolatormembran und ihrer jeweiligen Grundplatte darstellen. Zur zusätzlichen Genauigkeit justiert die Schaltung 56 oder eine der anderen Geberschaltungen die Meßzeitintervalle als Funktion der Meßtemperatur, da die Schallgeschwindigkeit im Füllfluid und in der umgebenden Geberstruktur gewöhnlich temperaturabhängig ist.

Zu Ultraschallwandlern, die mit der Erfindung verwendbar sind, gehört das Modell V208-RM, zu beziehen von der Firma Panametrics Inc., 221 Crescent Street, Waltham, Massachusetts, USA 02254. Auch Piezofilmelemente, vertrieben von der Firma AMP Inc., Valley Forge, Pennsylvania, USA 1948 2, sind mit der Erfindung verwendbar.

Vorzugsweise erfolgt in regelmäßigen, durch einen Takt in einer Schaltung 42' gesteuerten Intervallen durch die Schaltung 42' des Gebers 50 eine Diagnoseroutine zur Kontrolle auf Füllfluidaustritt. Zunächst mißt die Schaltung 42' die Positionen oder Höhen der Membranen 18L und 18H. Diese beiden Werte werden in einem Speicher 58 gespeichert. Im Speicher 58 hält der Schaltungsaufbau 42' außerdem den aktuellen Temperaturwert gemäß der Messung durch das PRT 48 und den Druck &Dgr;&Rgr; gemäß der Messung durch den Drucksensor 24. Während der Herstellung des Gebers wird eine Nachschlagetabelle oder ein Satz von Koeffizienten in einem nichtflüchtigen Abschnitt des Speichers 58 programmiert, wobei die Tabelle oder die Koeffizienten einen erwarteten Positionswert für die Membran 18L und die Membran 18H für eine bestimmte Menge von &Dgr;&Rgr;-Druck- und Temperaturwerten liefert. Die Temperatur dient zur Korrektur für Wärmeausdehnungseffekte des Füllfluids. Die Tabelle oder die Koeffizienten werden berechnet und kurz nach Abdichten der Füllfluidkammern im Speicher gespeichert und werden nach Messen der Isolatorhöhen während eines Kalibrierablaufs für verschiedene angelegte Drücke und Temperaturen berechnet. Anschließend ruft im Betrieb der Schaltungsaufbau 42' die erwarteten Werte der Isolatormembranpositionen für die aktuellen &Dgr;&Rgr;-Druck- und Temperaturwerte über die Tabelle ab oder berechnet sie über die Koeffizienten. Der Schaltungsaufbau 42' subtrahiert oder vergleicht anderweitig die gespeicherten Werte der gemessenen Isolatormembranpositionen mit den erwarteten Werten. Ist die Abweichung für eine Membran größer als ein im Speicher 58 gespeicherter und durch den Benutzer programmierbarer voreingestellter Schwellwert THRESH, kann der Schaltungsaufbau 42' ein Warnsignal zur Steuereinheit durch ein digitales Signal oder durch Ansteuern der Gleichstromausgabe auf einen Warnpegel, z. B. 28 mA, senden. THRESH stellt den maximal zulässigen Verschiebungsbetrag der Isolatormembran aufgrund eines Füllfluidverlusts dar, wobei die maximale Verschiebung einer maximal zulässigen Füllfluidverlustmenge entspricht. THRESH kann auf einen ausrei-

chend niedrigen Wert eingestellt werden, um beginnenden Füllfluidverlust gemäß der vorherigen Diskussion zu detektieren.

Die Schaltung 42' kann so programmiert sein, daß sie das soeben beschriebene Diagnoseverfahren alle N Druckmessungen durchführt, wobei N eine programmierbare ganzzahlige Größe ist. Erfaßt die Schaltung 42' den Druck mit einer Rate von 1 Hz, ergibt sich aus einer Einstellung von N auf 2,6 &khgr; &Igr;&Ogr;⁶ eine etwa monatliche Fluxdverlustprüfung. Da der Geber automatisch auf Füllfluidverlust prüft und automatisch die Steuereinheit bei Ausfall alarmiert, entfällt die Notwendigkeit eines Wartungstechnikers zur regelmäßigen Kontrolle des Gebers. Fig. 2 veranschaulicht eine Version des soeben beschriebenen Verfahrensablaufs zur Füllfluiddetektion.

Als Zusatzdiagnose kann die Schaltung 42' im Speicher die Abweichungen zwischen den gemessenen und erwarteten Membranpositionen speichern und kann die Zeit bis zum Geberausfall (TTF) vorhersagen, indem Langzeittrends in solchen Abweichungen unter stationären Bedingungen überwacht werden. Beispielsweise kann die Schaltung 42' die Differenz zwischen den zwei zuletzt berechneten Abweichungen für jede Isolatormembran berechnen. Ist die letzte Abweichung (Dj_) größer als die vorherige Abweichung (Dj__i), sind aber beide kleiner als der voreingestellte Schwellwert THRESH, so läßt sich die TTF (gemessen in Einheiten des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Fluxdverlustprüfungen) leicht berechnen und an die Steuereinheit übermitteln:

THRESH - D₁

TTF = -

Natürlich kann die Schaltung 42· vollkommenere Datenmanipulationstechniken verwenden, z. B. Fuzzy (unscharfe) Logik oder die Methode der kleinsten Quadrate an mehreren zuvor gespeicherten Abweichungswerten, um einen Trend festzustellen, anhand dessen die TTF vorhergesagt wird. Bei Bedarf kann die berechnete TTF im Speicher des Gebers gespeichert und an die vom Geber abgesetzte Steuereinheit nur nach Abfrage durch die Steuereinheit übermittelt werden.

Ein einmaliger Vorteil des Einsatzes einer Ultraschalltechnik zum Messen der Isolatormembranposition geht aus einem Vergleich von Fig. 10 und 1 hervor. Das heißt, die Technik ist mit vorhandenen Geberkonstruktionen bei geringfügigen Hardware-Abwandlungen und ohne körperlichen Eingriff in die Füllfluid-Einschlußstruktur oder den Drucksensor kompatibel.

Fig. 3 zeigt einen Geber 60, der dem von Fig. 1 ähnelt, in dem jedoch eine kapazitive Technik zur Messung der Position der Isolatormembranen 18L, 18H anstelle der Ultraschalltechnik zum Einsatz kommt. Darstellungsgemäß werden Stopfen 62L, 62H abdichtend in Bohrungen im Gebersockel 12 gehalten. Jeder Stopfen trägt ein kleines elektrisch leitendes Segment oder eine Elektrode 64L, 64H auf einer Seite, die zur jeweiligen Isolatormembran weist und in Kontakt mit dem Füllfluid steht. Vorzugsweise stimmt die Elektrodenfläche mit der■umgebenden Grundplattenfläche überein. Die Stopfen 62 sind so aufgebaut, daß die Elektroden 64L, 64H elektrisch vom Gebersockel und von den daran angeschweißten Isolatormembranen isoliert sind. Bewegt sich eine Isolatormembran von ihrem jeweiligen Stopfen weg oder auf ihn zu, sinkt oder steigt die Kapazität zwischen Isolator und Elektrode. Vorzugsweise sind die Elektroden so bemessen, daß der Kapazitätsbereich jedes Paars aus Elektrode und Isolatormembran innerhalb etwa des Zehnfachen des Kapazitätsbereichs des Drucksensors 24 liegt. Diese grobe Gleichheit erleichtert die Verwendung der gleichen Schaltung 38, die die Drucksensorkapazität mißt, zur Messung der Kapazität der Paare aus Elektrode und Isolatormembran. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Geber 60 einen durch eine Schaltung 42" gesteuerten Schalter 66 auf, wobei der Schalter Elektrodenleitungen 68 intermittierend mit der Kapazxtätsmeßschaltung 38 koppelt. Zu allen anderen Zeiten koppelt der Schalter 66 Zuleiter 69 mit der Schaltung 38.

Bei Bedarf kann der Schalter 66 entfallen, und eine zweckgebundene Schaltung kann zum Geber 60 zugefügt sein, um die Kapazität der Paare aus Elektrode und Membran zu messen. Ein solcher Aufbau käme zum Einsatz, wenn der Drucksensor 24

anstelle von Kapazität eine andere Sensortechnik nutzt, z. B. eine Dehnungsmeßtechnologie. Nützlich ist, daß sich eine Verringerung der Menge zusätzlicher notwendiger Schaltungskomponenten und damit Kostensenkung und höhere Zuverlässigkeit aus der Verwendung des Schalters 66 und aus der Verwendung der gleichen Sensortechnik für die Druckmessung und die Isolator-{Membran)-Positionsmessungen ergeben.

Mit Ausnahme der Technik, durch die die Isolatormembranpositionen gemessen werden, ähnelt der Geber 60 von Fig. 3 in jeder Hinsicht dem Geber 50 von Fig. 1. Insbesondere sind vorzugsweise die Alarmfähigkeit, die Vorhersagbarkeit und die anderen Merkmale beibehalten.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anordnung aus Drucksensor und Isolatormembran, die erfindungsgemäß abgewandelt ist. Der Drucksensorabschnitt einer Druckzelle 70 weist eine Sensormembran 72 auf, die um ihren umfang mit metallischen Halbzellen 74 verschweißt und zwischen im wesentlichen identische Sensorelektroden 76H, 76L eingefügt ist. Die Sensorelektroden 76H, 76L werden auf konkaven Oberflächen von Formglasstücken 78 getragen. Leiter 80H, 8OL, die im übrigen hohl sind, damit die Innenkammern auf jeder Seite der Sensormembran mit Füllfluid gefüllt werden können, verbinden die Sensorelektroden 76H, 76L mit einem in Fig. 4 nicht gezeigten Schaltungsaufbau zur Kapazitätsmessung.

Prozeßfluide, die mit Isolatormembranen 82H, 82L in Kontakt stehen, üben dar st el lungs gemäß Drücke Pjj und Pj₁ auf die Isolatoren aus, und die Drücke werden zur Sensormembran 72 über die zwei Füllfluidmengen übertragen, die den jeweiligen Raum zwischen den Isolatormembranen 82H, 82L und Anschlagflächen 84H, 84L, den Raum zwischen der Sensormembran 72 und den Sensorelektroden 76H, 76L und die Verbindungsdurchgänge 85H, 85L füllen. Erfindungsgemäß weist die Druckzelle 70 Leiter 86H, 86L auf, die in den elektrisch isolierenden Glasstücken 78 eingebettet sind, wobei jeder Leiter 86H, 86L einen Endpunkt an der jeweiligen Grundplatte 84H, 84L hat. Die Kapazität zwischen jeder Isolatormembran und ihrem benachbarten Leiter 86H, 86L liefert ein Maß für die Position jeder Isola-

tormembran. Bei Bedarf können Elektroden ähnlich wie die Elektroden 64L, 64H an den Grundplatten der Druckzelle 70 zugefügt werden, um die Kapazität zwischen den Isolatormembranen und den benachbarten Leitern 86H₇ 86L zu erhöhen.

Die Ausführungsform von Fig. 4 arbeitet eindeutig analog zu der von Fig. 3. Damit treffen die im Zusammenhang mit dem Geber von Fig. 3 dargestellten und diskutierten Fähigkeiten gleichermaßen auf die Ausführungsform von Fig. 4 zu.

Die Druckzelle 70 von Fig. 4 läßt sich leicht abwandeln, um die Isolatormembranposition mit Ultraschall und nicht kapazitiv zu messen. Ein Ultraschallwandler kann am Endpunkt jedes Leiters 86H, 86L befestigt und so positioniert sein, daß er einen Impuls von Ultraschallwellen durch das Füllfluid einkoppelt. Die Zeit, die die von der Oberfläche der Isolatormembran reflektierten Wellen benötigen, um den Wandler zu erreichen, zeigt die Isolatormembranposition an.

Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, die einen Kontaktschalter anstelle der zuvor offenbarten kontaktlosen Techniken verwenden. In Fig. 5 und 6 ist zur besseren Erläuterung nur eine Hälfte der in Fig. 4 eingeführten Grunddruckzelle dargestellt, und die Bezeichnungen "H" und ¹¹L" sind in den Bezugssymbolen nicht mehr verwendet. In den Ausführungsformen beider Zeichnungen ist eine Einrichtung für einen elektrischen Kontakt jeder Isolatormembran mit ihrem benachbarten Leiter 86 vorgesehen, wenn ein ausreichendes Füllfluidvolumen aus dem zugehörigen Füllfluidreservoir austritt. Der Leiter 86 ist mit einer Schaltung gekoppelt, die eine Warnanzeige zu einer Steuereinheit führt, wenn die Kontaktierung erfolgt. In Fig. 5 ist ein Federkontakt 88 mit dem Endpunkt des Leiters 86 verschweißt. Zum Kontakt kommt es, wenn überhaupt, zwischen der Oberseite des Federkontakts 88 und der Unterseite der Isolatormembran 82. In Fig. 6 wurde eine Vertiefung 8 9 in der Isolatormembran 82 durch ein sich schnell bewegendes stumpfes Werkzeug ausgebildet. Zum Kontakt kommt es hier, wenn überhaupt, zwischen der Vertiefung 89 und dem Endpunkt des Leiters 86.

Normalerweise sind Geber so gestaltet, daß sich beim maximalen Bemessungsdruck die der hohen Druckseite ausgesetzte Isolatormembran nur etwa über die Hälfte des Wegs zur Grundplatte relativ zu ihrer Gleichgewichtsposition (&Dgr;&Rgr; = 0) bewegt. In einem Geber, in dem sich die Gleichgewichtsposition der Isolatormembran (in ihrer Mitte) 0,254 mm {0,010 Inch) in der Messung von der Grundplatte befindet, bewegt sich erwartungsgemäß die Isolatormembran innerhalb von etwa 0,127 mm (0,005 Inch) bei maximalem angelegten Druck und bei niedrigster Bemessungstemperatur. Jeder Füllfluidverlust bewirkt, daß sich die Isolatormembran näher zur Grundplatte unter den gleichen Bedingungen bewegt. Folglich kann durch Einstellen der Höhe des Federkontakts 88 oder der Tiefe der Vertiefung 89 auf etwa 0,127 mm (0,005 Inch) oder etwas weniger ein geringe Menge von Füllfluidverlust (Verluste im Anfangsstadium) detektiert werden, und größere Fluidverluste können bei niedrigeren Drücken detektiert werden.

In Fig. 7a und Fig. 7b ist eine ansonsten normale Druckgeberschaltung 90, die durch eine abgesetzte Stromquelle 92 gespeist wird und einen Stromfluß i durch das Leiterpaar 44 als Funktion des erfaßten Differenzdrucks reguliert, durch Zufügen von Kontaktschalterelementen 94L, 94H, z. B. den von Fig. 4 oder 5, abgewandelt. Ein Schalter wird für jede Isolatormembran verwendet. Die Bezugszahl 96 kennzeichnet den Drucksensorabschnitt der Druckzelle, der in der Einfügung vergrößert dargestellt ist.

Bei Verbindung der Geberschaltung gemäß Fig. 7a und 7b und ohne Füllfluidverlust entspricht der Geberausgangsstrom i als Funktion des Differenzdrucks &Dgr;&Rgr; des Prozeßfluids der Kurve 98a in Fig. 7c. Die Kurve 98a ist im wesentlichen geradlinig und ändert sich von 4 mA an einer unteren Bereichsgrenze ("LRL") auf 20 mA an einer oberen Bereichsgrenze ("URL"). Dieses Verhalten gleicht dem bekannter Geber ohne Einrichtung zur Fluidverlustdetektion. Tritt aber etwas Füllfluid aus einer Seite der Druckzelle aus, kann sich das Verhalten radikal zu dem der Kurve 98b ändern. Für kleine Drücke ist die einzige Änderung ein Versatz infolge eines verringer-

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ten Drucks, der auf die Sensormembran durch die Füllfluidmenge ausgeübt wird, aus der es zum Austritt kam. Für Drücke, die hoch genug sind, um das Schalterelement schließen zu lassen, zwingt dagegen die Geberschaltung den Druck auf einen außerhalb des Anzeigebereichs liegenden Wert von etwa 2 Milliampere. Dieser "harte" Ausfall tritt auf, bevor die Geberansprechzeit durch zu starken Füllfluidverlust stark beeinträchtigt ist, und unterrichtet den Bediener sofort von einem Problem. Geht mehr Füllfluid verloren, zeigt die Kurve 98c, daß der Gleichstromversatz bei niedrigen Drücken zunimmt und daß der außerhalb des Anzeigebereichs liegende Ausgabepegel bei niedrigeren Drücken erreicht wird. Tritt genug Füllfluid aus, bleibt natürlich die Geberausgabe auf dem außerhalb des Anzeigebereichs liegenden Wert von 2 mA über den gesamten Druckbereich. Die Kurven 98b und 98c entsprechen dem Fall, in dem Füllfluid aus der hohen Druckseite "H" der Druckzelle verlorengeht; tritt anstelle dessen Fluid aus der niedrigen Seite "L" aus, geht der Gleichstromversatz von der Kurve 98a in die Gegenrichtung, wenngleich durch Schließen des Schalterelements die Ausgabe immer noch auf den außerhalb des Anzeigebereichs liegenden Wert von 2 mA angesteuert wird.

Zur Vereinfachung sind die Bezeichnungen "H" und "L" in Fig. 8 und 9 weggelassen. Zweck der aufgelösten Darstellung eines bekannten Druckgebers in Fig. 8 ist, die bekannte Verwendung von Seitenflanschen 100 mit einer Druckzelle 102 zu demonstrieren. Die Druckzelle 102 ähnelt der Druckzelle von Fig. 3 mit der Ausnahme, daß die Zelle 102 keine Einrichtung zum Erfassen von Füllfluidverlust hat. Die Seitenflansche 100 führen Prozeßfluid von Gewindeanschlüssen 104 zu den Isolatormembranen der Druckzelle 102.

In Fig. 9 sind zwei Anordnungen zum Messen der Isolatormembranposition von einer Stelle auf einer Prozeßseite der Isolatormembran und nicht einer Füllfluidseite dargestellt. Die Druckzelle 102 ist als Umriß gezeigt, und die Isolatormembranen 82 und Grundplatten 84 sind der Einfachheit halber nur mit Strichlinien dargestellt. Ähnlich sind die Seitenflansche 100 in vereinfachter Form im Schnitt gezeigt, wobei

kleinere Merkmale oder Einzelheiten unberücksichtigt bleiben. In einer ersten Ausführungsform koppelt ein Bediener eine Ultraschallsonde 106 mit einer Außenfläche des Seitenflanschs 100, um die Isolatormembranposition auf ähnliche Weise wie in der Beschreibung von Fig. 1 zu messen. Während der Prüfung sollte eine Innenkammer 108 des Flanschs 100 mit einem Flüssigphasen-Prozeßfluid gefüllt sein, damit eine übertragung von Ultraschallwellen 110 durch die Kammer 108 hindurch erfolgen kann. Eine Treiber-/Detektions-/Auslesevorrichtung 112 ist so konfiguriert, daß sie außerhalb eines vorbestimmten Zeitfensters empfangene Signale zurückweist, so daß Reflexionen von Oberflächen, z. B. einer Oberfläche 114 des Flanschs 100, nicht die Messung der Isolatormembranposition relativ zur Grundplatte stören. Durch Kenntnis der Druckgeberausgabe und vorzugsweise auch der lokalen Temperatur kann der Bediener die erwartete Isolatormembranposition anhand eines einfachen Diagramms oder einer Nachschlagetabelle mit dem Meßwert vergleichen. Eine Abweichung weist auf Fül!fluidverlust hin. Diese erste Ausführungsform ist mit vorhandenen Gebern ohne Änderungen an der Struktur oder Schaltung des Gebers kompatibel.

In der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 9 brauchen nur die Seitenflansche des Gebers abgewandelt zu werden. Ein Stopfen 116 mit einem darin eingebetteten piezoelektrischen Chip 118 wird in einer Wand jedes Flanschs angeordnet. Der Chip 118 erzeugt und detektiert Ultraschallwellen. Koppelt ein Bediener den Stopfen 116 mit der Treiber-/Detektions-/ Auslesevorrichtung 112 unter Verwendung eines Standardverbinders 119, kann er die Isolatormembranpositionen auf die gleiche Weise wie mit der im vorigen Absatz beschriebenen ersten Ausführungsform messen und dadurch Füllfluidaustritt überwachen.

In einer nicht gezeigten dritten Ausführungsform kann eine stabförmige Sonde in die Kammer 108 eingesetzt sein. Die mit der Treiber-/Detektions-/Auslesevorrichtung 112 gekoppelte Sonde weist den piezoelektrischen Chip 118 auf und kann

Ultraschallschwingungen gemäß der Diskussion in den beiden vorherigen Ausführungsformen einkoppeln und detektieren.

Wenngleich die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist die Erfindung nicht nur auf Druckgeber anwendbar, sondern auch auf Durchflußgeber und andere Geber, die einen füllfluidgekoppelten Drucksensor nutzen. Ferner können die Geber nur eine oder zwei oder mehr als zwei Isolatormembranen haben. Außerdem ist die Erfindung auf Geber anwendbar, in denen die Isolatormembran(en) im wesentlichen feststehend relativ zur Grundplatte als Funktion des angelegten Drucks bleibt (bleiben). Der Fachmann wird erkennen, daß induktive, magnetische, optische und andere bekannte Positionsmeßtechniken anstelle einer kapazitiven oder Ultraschallanordnung verwendet werden können, um die Isolatormembranposition (en) zu messen.

Claims (6)

Schutzansprüche

1. Geber mit:

einem Drucksensor, der mit mindestens einer Isolatormembran durch ein Füllfluid fluidgekoppelt ist, wobei der Drucksensor eine erste Meßtechnik nutzt;
einer Meßschaltung;

einer Vorrichtung zum Überwachen von Füllfluidverlust, wobei die Vorrichtung eine zweite Meßtechnik nutzt; und
wobei die erste und zweite Meßtechnik im wesentlichen gleich sind.

2. Geber nach Anspruch 1 mit einem Schalter, der die Meßschaltung selektiv mit dem Drucksensor und mit der Vorrichtung koppelt.

3. Geber nach Anspruch 2 mit einer zweiten Vorrichtung zum Überwachen von Füllfluidverlust, die mit dem Schalter gekoppelt ist, und wobei der Schalter den Meßschaltungsaufbau selektiv mit dem Drucksensor, der Vorrichtung und der zweiten Vorrichtung koppelt.

4. Geber nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zum überwachen von Füllfluidverlust einen kontaktlosen Positionssensor mit einer Elektrode aufweist, deren Kapazität mit der Isolatormembran sich als Funktion der Position der Isolatormembran ändert.

5. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung zum Überwachen von Füllfluidverlust einen kontaktlosen Positionssensor mit einem Ultraschallwandler aufweist.

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6. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung zum Überwachen von Füllfluxdverlust einen Kontaktschalter aufweist, der geeignet ist, durch die Isolatormembran kontaktiert zu werden, wenn ein Teil des Fluids verloren geht.