PATENTSCOPE will be unavailable a few hours for maintenance reason on Tuesday 19.11.2019 at 4:00 PM CET
Search International and National Patent Collections
Some content of this application is unavailable at the moment.
If this situation persists, please contact us atFeedback&Contact
1. (WO2010078993) MEASURING DEVICE FOUR DETERMINING A DIFFERENTIAL PRESSURE
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

Messvorrichtung zum Bestimmen eines Differenzdrucks:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Ausgeben eines Messsignals, weiches die Differenz zwischen einem ersten Druck eines Mediums an einem ersten Ort und dem zweiten Druck eines Mediums an einem zweiten Ort repräsentiert.

Diese Messvorrichtungen sind bis heute zumeist a!s Differenzdruckmess-umformer realisiert, welche einen Differenzdruckmesswandier umfassen, der eine Differenzdruckmessmembran enthält die mit einem ersten Druck und einem zweiten Druck beaufschlagbar ist, wobei der erste Druck dem zweiten Druck entgegenwirkt, so dass die resultierende Verformung der Differenzdruckmessmembran eine Funktion der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ist.

Die Zuleitung des ersten Drucks und des zweiten Drucks von abgesetzten Orten zum Differenzdruckmesswandier erfolgt gewöhnlich hydraulisch über ölgefülite Kapillarleitungen. Aufgrund des damit verbundenen instalSationsaufwands gibt es seit einiger Zeit Ansätze, den Differenzdruck zu bestimmen, indem der erste Druck und der zweite Druck jeweils mit einem Druckmesswandler erfasst werden und der Differenzdruck anhand der Signale des ersten und des zweiten Wandlers bestimmt wird.

Dieses Prinzip ist beispielsweise erläutert in „Hydrostatic Tank Gauging -technology whose time has come" (1990, ISA Services, Inc.).

Endress+Hauser hat beispielsweise 1992 eine modulare Messvorrichtung zur Füllstandsmessung angeboten und beschrieben, die zwei Druckmesswandler umfasst, deren PFM-Signale an eine Auswerteeinheit übertragen werden, wobei die Auswerteeinheit die PFM-Signale digitalisiert und anhand der digitalisierten PFM-Signale die Druckdifferenz berechnet „Liquid Level Transmitter Model DB40RL Sanitär/ Sensor deltapiiot".

U.S. Patent Nr. 5,227,782 offenbart eine so genannte Hydraulic Interface Unit (HIU), zum durchführen einer bidirektionalen, digitalen Kommunikation mit mehreren Druckmessumformern, wobei die Kommunikationssignale dem Energieversorgungssignal überlagert sind.

U.S. Patent Nr. 5,870,695 offenbart eine weitere Differenzdruckmessanordnung mit abgesetzten Sensoreinheiten, deren Signale elektrisch übertragen werden.

Es ist einerseits eine Messanordnung mit einem abgesetzten Auswertemodul vorhanden, welches mit zwei Druckmesswandlermodulen jeweils über ein Kabel verbunden ist. Dies führt zu einem großen Verkabelungsaufwand, wenn das Auswertemodul in einem großen Abstand zu den Druckmesswandlermoduien positioniert ist. Darüber hinaus kann es aus Gründen der Störsicherheit erforderlich sein, dass beide Schnittstellen des Auswertemoduls zu den Druckmesswandlermoduien mit Entstörmaßnahmen ausgestattet werden, da es insbesondere bei leitungsgebundenen Störungen, zu Fehlfunktionen kommen kann. Ein Grund hierfür ist beispielsweise, dass ein typisches 4...20 mA Gerät einen Stromregei-OP besitzt, welcher den Strom über einen Shuntwiderstand regelt. Ist die Kapazität zwischen Gehäusepotential und Schaltungsmasse zu hoch fließt bei leitungsgekoppelten Störungen ein Fehlerstrom über diesen Shuntwiderstand. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Stromregelung nicht mehr fehlerfrei funktioniert.

In anderen Messanordnungen ist ein so genannter Slave-Messumformer mit einem Master-Messumformer verbunden, wobei der Slave-Transmiter dem Master-Messumformer einen ersten Druckmesswert bereitstellt, der Master-Messumformer einen zweiten Druckmesswert selbst ermittelt und eine Auswerteeinheit enthält, um den Differenzdruck zu berechnen. Diese Lösung hat den Nachteil, dass der Master-Messumformer, der gewöhnlich Bedienelemente und Anschlussklemmen für eine Versorgungs- und Datenleitung vom bzw. zum Leitsystem enthält, an einer Prozessöffnung montiert sein muss, beispielsweise am Boden einer Tanks im so genannten Sumpf. Dieser Ort kann beispielsweise schwer zugänglich sein. Bei anderen Messstellen können dort für einen Bediener, bzw. für eine Recheneinheit ungünstige Bedingungen herrschen, seien es extreme Temperaturen, Medienemässionen, Kondensat, Vibrationen oder Lärm. Diese Lösung ist daher nicht für alle Messstellen geeignet.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Messvorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwindet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die modulare Messvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.

Die erfindungsgemäße modulare Messvorrichtung zum Ausgeben eines Messsignals, welches die Differenz zwischen einem ersten Druck eines Mediums an einem ersten Ort und dem zweiten Druck eines Mediums an einem zweiten Ort repräsentiert, umfasst

ein erstes Druckmesswandlermodul zum Erfassen des ersten Drucks und zum Erzeugen und Ausgeben einer Folge von ersten Signalen, die jeweils einen aktuellen Wert des ersten Drucks repräsentieren;

ein zweites Druckmesswandiermodu! zum Erfassen des zweiten Drucks und zum Erzeugen einer Folge von zweiten Signalen die jeweils einen aktuellen Wert des zweiten Drucks repräsentieren;

ein Auswertemodul zum Ermittein einer Folge von Differenzwerten zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck und zum Ausgeben einer Folge von vierten Signalen, weiche jeweils eine Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck repräsentieren;

eine erste Kabelverbindung zwischen dem ersten Druckmesswandlermodul und dem zweiten Druckmesswandlermodul;

und eine zweite Kabelverbindung zwischen dem zweiten Druckmesswandlermodul und dem Messumformer;

wobei das erste Druckmesswandlermodul von dem zweiten Druckmesswandlermodul räumlich getrennt ist, und wobei das Auswertemodul von beiden Druckmesswandlermodulen räumlich getrennt äst;

wobei das zweite Druckmesswandlermodul eine Abbildungseinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, die Folge von ersten Signalen und die Folge von zweiten Signalen zu empfangen und eine Folge von dritten Signalen zu erzeugen, welche jeweils eine Information über den ersten Druck und eine Information über den zweiten Druck basierend auf mindestens einem ersten Signal und mindestens einem zweiten Signal enthalten, und die Folge von dritte Signalen über die zweite Kabelverbindung an das Auswertemodul auszugeben.

In einer Weiterbildung der Erfindung können die ersten Signale Digitalsignale, und/oder die zweiten Signale Digitalsignale sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Auswertemodul über eine dritte Kabelverbindung, insbesondere eine Zweidrahtieitung, an ein Leitsystem anschließbar, wobei das Messsignal über die dritte Kabelverbindung auszugeben ist, wobei die Messvorrichtung über die dritte Kabelverbindung mit Energie zu versorgen ist, wobei das zweite Druckmesswandiervorrichtung über die zweite Kabefverbindung mit Energie zu versorgen ist, und wobei das erste Druckmesswandlermodul über die erste Kabelverbindung mit Energie zu versorgen ist.

Die dritte Kabelverbindung kann insbesondere eine 4 bis 20 mA-Stromschleife umfassen.

Gemäß einer Weiterbildung werden die ersten Signale mit einer ersten Übertragungsrate, die zweiten Signale mit einer zweiten Übertragungsrate und die dritten Signale mit einer dritten Übertragungsrate übertragen, wobei die erste und oder die zweite Übertragungsrate sich von der dritten Ü bertrag u ngs rate unterscheiden kann.

Die erste Übertragungsrate kann insbesondere größer sein als die dritte Übertragungsrate.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann das dritte Signal die Information über den ersten Druck als Mittelwert von zwei oder mehr ersten Signalen enthalten.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann das dritte Signal die Information über den zweiten Druck als Mittelwert von zwei oder mehr zweiten Signalen enthalten.

Das Auswertemodu! und/oder das zweite Druckmesswandlermodul können gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung jeweils eine galvanisch trennende Schnittstelle aufweisen.

Die galvanisch trennenden Schnittstellen können insbesondere induktiv koppelnde Schnittstellen sein.

Die Erfindung wird nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : ein Blockdiagramm einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; und

Fig. 2: eine Darstellung zur Datenübertragung zwischen den

Modulen der Messvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfasst ein erstes

Druckmesswandlermodul 1 und ein zweites Druckmesswandlermodul 2 sowie ein Auswertemodul 3.

Das erste Druckmesswandlermodul 1 enthält einen ersten Drucksensor 21 , der mit einem ersten Mediendruck p1 beaufschlagbar ist, und der einen Wandier zum Ausgeben eines den ersten Mediendruck repräsentierenden ersten Primärsignals aufweist, wobei der Wandler beispielsweise ein kapazitiver oder (piezo-) resistiver Wandler sein kann. Weiterhin enthält das Druckmesswandlermodul einen ersten Temperatursensor, welcher eine Temperatur des ersten Drucksensors erfasst, und ein die Temperatur repräsentierendes Temperatursignal ausgibt. Das erste Druckmesswandlermodul enthält weiterhin eine erste Signalaufbereitungsschaltung 12, welche das Primärsignal des ersten Drucksensors und ggf. das Temperatursignal zunächst analog aufbereitet und anschließend beide Signale digitalisiert. Die Digitalsignaie des ersten Drucks und der ersten Temperatur werden über eine erste externe Kabelverbindung 14 an eine Übertragungseinheit 23 des zweiten Druckmesswandlermoduls 2 übertragen.

Die erste externe Kabelverbindung 14 kann beispielsweise die folgenden Leitungen aufweisen: • eine Gleichspannungsversorgung V+ zur Speisung des ersten Druckmesswandlermoduls,

• Masse,

• eine Taktsignalleitung, welche ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz f1 von dem zweiten Sensormodul an das erste Sensormodul überträgt, und

• eine Datenleitung welche die Digitalsignale des ersten Drucks und der ersten Temperatur beispielsweise mit einer ersten Überragungsrate überträgt.

Sofern dies aufgrund von EMV-Anforderungen nötig ist, kann zur Taktsignalleitung und zur Datenleitung jeweils noch eine Leitung vorgesehen sein die das entsprechende Signal mit umgekehrten Vorzeichen überträgt.

Von der Übertragungseinheit werden die Digitalsignale des ersten Drucks und der ersten Temperatur werden über eine erste interne Verbindung 25 an eine Abbildungseinheit (Mapping Unit) 24 im zweiten Druckmesswandiermodul 2 übertragen.

Das zweite Druckmesswandlermodui 2 enthält neben der bereits erwähnten Übertragungseinheit 23 und der Abbildungseinheit 24 einen zweiten Drucksensor 21 , der mit einem zweiten Mediendruck p2 beaufschlagbar ist, und der einen Wandler 22 zum Ausgeben eines den ersten Mediendruck repräsentierenden zweiten Primärsignals aufweist, wobei der Wandler beispielsweise ein kapazitiver oder (piezo-) resistiver Wandler sein kann. Weiterhin enthält das Druckmesswandlermodu! einen zweiten Temperatursensor, welcher eine Temperatur des zweiten Drucksensors 21erfasst, und ein die Temperatur repräsentierendes zweites Temperatursignal ausgibt. Das zweite Druckmesswandiermodul enthält weiterhin eine zweite Signalaufbereitungsschaltung 22, welche das zweite Primärsägnal des zweiten Drucksensors und ggf. das zweite Temperatursignaf zunächst analog aufbereitet und anschließend beide Signale digitalisiert. Von der zweiten Signalaufbereitungsschaltung Die Digitalsignale des zweiten Drucks und der zweiten Temperatur werden über eine zweite interne Kabelverbindung 26 an die Abbiidungseinheit 24 übertragen.

Bei den ersten und zweiten internen Kabelverbindungen 25, 26 kann aufgrund der Kurzen Übertragungsstrecke jedenfalls auf die symmetrisierenden gegenphasigen Leitungen des Taktsignals und des Datensignals verzichtet werden. Hier sind neben der Energieversorgung jeweils nur eine Datenleitung mit der ersten Übertragungsrate und eine Taktleitung mit der Taktfrequenz f1 vorgesehen.

Die Abbildungseinheit 24 enthält einen nicht dargestellten Mikrokontroller welcher einerseits das Taktsignal zum ersten Druckmesswandlermodul 1 bereitsteilt und andererseits die eingehenden Digitalsignale des ersten Drucks und der ersten Temperatur sowie des zweiten Drucks und der zweiten Temperatur erfasst und Signale, welche Informationen über den ersten Druck und den zweiten Druck sowie die erste und die zweite Temperatur enthalten, zur Übertragung an das Auswertemodul 3 ausgibt. Die Übertragung zum Auswertemodul erfolgt über eine zweite externe Kabelverbindung 28, welche beispielsweise die folgenden Leitungen umfasst:

• eine Gleichspannungsversorgung V+ zur Speisung des zweiten Druckmesswandlermoduls,

• Masse,

• eine Taktsignalleitung, welche ein Taktsignal mit der Frequenz von f1 von dem Auswertemodul an das zweite Sensormodul überträgt, und • eine Datenleitung welche die Signale von der Abbildungseinheit 24 mit der einfachen ersten Übertragungsrate oder mit der halbierten ersten Übertragungsrate an das Auswertemodul überträgt.

Das Auswertemodul 3 enthält die Hauptelektronik mit einem Mikrokontroiler zur Berechnung der Differenz zwischen dem ersten Mediendruck und dem zweiten Mediendruck sowie eine Versorgungsschaltung zum Anschluss an eine Zweidrahtschleife, auf welche die errechnete Druckdifferenz als 4 ... 20 mA-Stromsignal ausgegeben wird.

Weiterhin kann der Mikrokontroiler vor der Differenzbildung die empfangenenen Druckmesswerte für den ersten Druck und den zweiten Druck in Abhängigkeit von den zugehörigen Temperaturmesswerten mit einem Kompensationsalgorithmus korrigieren.

Die Versorgungsschaltung stellt die Versorgungsspannungen für die Haupteϊektronik und für die angeschlossenen Module bereit. Weiterhin enthält die Hauptelektronik ein HART-Modem, um dem Stromsignal ggf. Digitalsignaie aufzumodulieren, welche einen oder mehrere der folgenden Messwerte repräsentieren: den ersten Druck, den zweiten Druck, den Differenzdruck, die erste Temperatur und die zweite Temperatur. Weiterhin können dem Auswertemodu! über das HART-Modem Steuerkommandos übertragen werden.

In Fig. 2 ist die Verarbeitung der eingehenden Signale durch die Abbiidungseinheit 24 dargestellt. Die Abbildungseinheit 24 empfängt über die internen Verbindungen 25 und 26 jeweils einen Datenstrom mit Datensätzen bzw. Frames, weiche jeweils ein Drucksignal, ein Temperatursignal, das als „additional information" gekennzeichnet ist, und Verifikationsdaten enthalten. Die Datensätze werden zunächst einem Integritätstest 241 , 242 unterzogen, dann werden die Temperatursignale und die Drucksignale separiert, die Drucksignaie 243, 244 werden jeweils einem FIR-Filter 245, 246 zugeführt der im Ergebnis eine Mittelung über zwei Messwerte durchführt. Die Druckmittelwerte und die Temperaturmesswerte werden mittels eines so genannten „Merger" bzw. einer Zusammenlegungsroutine 247 und einem nachfolgenden Kontrollsummenalgorithmus in einen Ausgabedatensatz gepackt, welcher Verifikationsdaten, ein gefiltertes erstes Drucksignal, die Temperatursignale und ein gefiltertes zweites Drucksignal enthält. Dieser Datensatz wird über die zweite externe Kabelverbindung 28 an das Auswertemodul ausgegeben.

Das erste Druckmesswandlermodul 1 kann ggf. von dem Auswertemodul 2 galvanisch getrennt sein. Dazu kann entweder zwischen dem

Auswertemodul und dem zweiten Druckmesswandlermodul und/oder zwischen dem zweiten Druckmesswandlermodul und dem ersten Druckmesswandlermodul eine galvanische Trennung vorgesehen sein.