WO2000050847A1 - Measuring transducer - Google Patents

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WO2000050847A1
WO2000050847A1 PCT/DE2000/000467 DE0000467W WO0050847A1 WO 2000050847 A1 WO2000050847 A1 WO 2000050847A1 DE 0000467 W DE0000467 W DE 0000467W WO 0050847 A1 WO0050847 A1 WO 0050847A1
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sensor
evaluation unit
module
transmitter
temperature
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Application number
PCT/DE2000/000467
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Inventor
Thomas Hauschulz
Andreas Muhr
Robin Pramanik
Frank Sass
Peter Schmith
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
    • G01D3/036—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves
    • G01D3/0365—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure on measuring arrangements themselves the undesired influence being measured using a separate sensor, which produces an influence related signal
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G01L9/065—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices with temperature compensating means
    • G—PHYSICS
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
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    • G01R1/44—Modifications of instruments for temperature compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/32—Compensating for temperature change

Definitions

  • the invention relates to a transmitter according to the preamble of claim 1.
  • the respective temperature values and the output values of the transducers m of the data processing device are recorded. Depending on the recorded values, this generates adjustment parameters to compensate for the temperature dependency and passes them on to the transmitter. This ensures that the measurement values of the transmitter are independent of temperature changes.
  • non-parameters of the transmitter are also compensated in a similar manner.
  • the adjustment parameters can be adapted as hardware, e.g. B.
  • each transmitter receives individual adjustment parameters that are stored in an evaluation unit. Subsequent replacement of individual components of a transmitter, for example the evaluation unit or the sensor, in a process plant on site is not readily possible since the adjustment parameters have to be determined again.
  • the transmitter can only be replaced as a whole, which is due to the mechanical installation and mounting of the transducer of process engineering plant ⁇ m associated with a high cost.
  • the invention has for its object to provide a transmitter that enables an exchange of individual components and thus easy maintenance in a process plant.
  • the new transmitter of the type mentioned has the features specified in the characterizing part of claim 1.
  • Advantageous further developments are described in the subclaims.
  • the invention has the advantage that, for example, an electronic evaluation unit of a transmitter can be replaced in the event of a fault without having to intervene in the process.
  • a sensor unit which may not be easily removed from the process engineering system, can remain in the system. This makes it possible to upgrade the transmitter to another interface without replacing the entire device.
  • a transmitter that previously used, for example, a 4- to 20 mA interface was operated, can be replaced by replacing the modular evaluation unit on a fieldbus interface, for.
  • B. a PROFIBUS PA interface can be upgraded.
  • a further advantage is the modular structure of the transmitter in terms of handling at the transmitter ⁇ manufacture.
  • the adjustment parameters can be stored on the respective module by adapting the hardware, for example by adjusting reinforcement resistances.
  • a non-volatile memory in particular a so-called EEPROM, can alternatively be used to store the adjustment parameters. This has the advantage that uncritical digital signals between the electrical interface
  • the sensor Since the sensor has a measuring resistor that changes its ohmic resistance depending on the physical or chemical quantity to be measured, the sensor can advantageously be supplied with a regulated voltage via the electrical interface using four-wire technology. Two conductors are used to measure the voltage applied to the sensor, while the current via the two remaining cables ter is fed to the sensor. Since the two conductors for clamping ⁇ voltage detection are thus practically without current, the voltage gemes ⁇ sene is not distorted by the voltage drop at the conductors and the supply voltage of the sensor can be exactly adjusted. In addition, the measured voltage is not distorted by the contact resistance of the electrical connector Zvi ⁇ rule sensor module and evaluation unit which GeWiS ⁇ sen variations may be subject. Alternatively, constant current can be fed into the sensor. Additional conductors for detecting the voltage drop at the sensor feed point can optionally be omitted.
  • the senor can be supplied with alternating current / voltage or direct current / voltage.
  • An interconnection of the resistor in a branch of a measuring bridge arranged on the sensor module, the bridge voltage of which is led via the electrical interface from the sensor module to the evaluation unit, has the advantage that the bridge voltage can be tapped with high impedance and thus also no problems with the contact resistances of the electrical connector arise.
  • a temperature measuring resistor is advantageously arranged on the sensor module, which is also connected to the evaluation unit via the electrical interface.
  • the measuring resistor is thus close to the sensor and detects its temperature directly. If necessary, this measuring resistor can also be supplied using four-wire technology for high measuring accuracy.
  • the module of the evaluation unit can be provided with a temperature sensor in order to determine the influence of the temperature to compensate for the evaluation electronics.
  • a temperature sensor In the case of transmitters, the situation can arise in practical use that the temperature of the evaluation unit deviates significantly from the temperature of the sensor. In these cases, separate compensation of the malfunction caused by the different temperatures leads to better measuring accuracy of the transmitter.
  • the required for compensation of the failure of the evaluation unit balance ⁇ parameters are advantageously stored on the module of the evaluation unit.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a transmitter
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the measuring electronics.
  • a sensor module 1 which is used to convert a physical or chemical variable into an electrical signal 14, is connected to an evaluation unit 2 by electrical connectors 10, 11 and 12.
  • an EMC module 3 is connected to an ana- löge 4 to 20 mA interface with simultaneous, digital data transmission according to the HART protocol.
  • Wei ⁇ thermore attention must feature the transmitter to an input unit 4, and an LCD display 5, the rule also provided with electrical connectors are ⁇ 7 and 8 coupled to the module 2 of the evaluation unit and designed as a control module.
  • the electrical interface between sensor module 1 and module 2 of the evaluation unit is realized by three electrical connectors 10, 11 and 12. Alternatively, the necessary contacts can of course also be combined in a connector.
  • EEPROM 16 is also arranged on the sensor module 1 as a non-volatile memory as a means of storing adjustment parameters.
  • specimen-specific parameters are stored, which were determined when the sensor module 1 was compared in order to compensate for the misconduct caused by the temperature as an external factor and non-imperfections of the measuring elements 13.
  • the adjustment parameters stored in the EEPROM 16 are read out via the electrical connector 12 by a microprocessor 17, which is located on the module 2 of the evaluation unit, and used in an evaluation program for compensation.
  • An analog / digital converter 19, to which a multiplexer 18 is connected upstream, is used to convert the electrical signals 14 and 15 m supplied by the sensor module 1 and which can be processed by the microprocessor 17.
  • An output signal of a temperature sensor 20 is also fed to the multiplexer 18, which is arranged on the module 2 of the evaluation unit close to the measuring electronics and thus detects its temperature.
  • Adjustment of the measuring electronics, in particular the input signal amplifier (not shown in FIG. 1) and the A / D converter 19, adjustment parameters for compensation of the temperature drift are determined and an EEPROM 21, which is also located on module 2 of the evaluation unit, is written.
  • the adjustment parameters stored in the EEPROM 21 are used by the evaluation program of the microprocessor 17 to compensate for non-imperfections and the malfunction of the measuring electronics caused by the temperature on the module 2 of the evaluation unit.
  • An interface module 22 is used to carry out communication, for example with a data processing device connected to lines 23, not shown in FIG. 1.
  • a measurement signal calculated after the compensation by the microprocessor 41 and representing the measured value of the pressure is transmitted analogously via the lines 23 and is output numerically on the display 5.
  • the interface module 22 also generates the 4 to 20 mA S ⁇ gnal the interface, the supply ⁇ voltage for the electronic components of the transmitter. If the transmitter shown on a communication via a fieldbus, for. B. PROFIBUS PA are converted, so Müs ⁇ sen only the module 2 of the evaluation unit and the EMC module 3 against corresponding, for the desired field bus communication module configured to be replaced. Retrofitting is thus possible without changing the sensor and without having to intervene in the process.
  • FIG. 2 electronic parts of the sensor module are shown to the left of a dashed line 30, which marks the interface between the sensor module and module of the evaluation unit, and to the right of the dashed line 30, the parts of the evaluation unit that are relevant for realizing the interface.
  • An electrical signal corresponding to the value of the pressure is generated with piezoresistive elements which are connected to form a resistance bridge 31 and are arranged on a membrane exposed to the pressure to be measured.
  • the measuring bridge 31 is supplied with a regulated voltage by two amplifiers 32 and 33. In this case, two conductors 34 and 35 are live, while with two conductors 36 and 37 the voltage actually applied to the measuring bridge 31 is detected with high resistance, is returned to the amplifiers 32 and 33 and is regulated.
  • Two reference voltage sources 38 and 39 serve to stabilize the voltage.
  • the voltage setpoint of the amplifier 32 can be variably set within a certain range. This is advantageous in order to ensure a highly precise bridge supply voltage and to be able to adjust the bridge voltage to a predeterminable value by comparing the evaluation unit.
  • two reference voltage sources 38 and 39 are provided for generating any constant voltage. To reduce the effort, for example, the reference voltage source 39 can be omitted if the respective setpoint is fixed at 0 V is posed.
  • a measuring resistor 42 is used to detect the temperature of the sensor module. Its output signal is routed via a preamplifier 43 to an analog input of an A / D converter 44.
  • the temperature of the measuring electronics on the module of the off ⁇ evaluation unit is measured and passed through the analog / digital converter 44 to the microprocessor 41 with a temperature sensor 45th
  • Another signal amplifier 46 is provided for amplifying the bridge voltage of the measuring bridge 31, which is also connected to an input of the analog / digital converter 44.
  • An EEPROM 47 or 48 which can be read out by the microprocessor 41, is arranged on both the sensor module and the module of the evaluation unit. It is thus advantageously possible to store the parameters determined in a comparison in each case on the module whose incorrect behavior is to be compensated for with the aid of the comparison parameters.
  • a measuring bridge is fed with an accurate constant current source. In this way, lines for tapping off the voltage applied to the measuring bridge can advantageously be omitted.

Abstract

The invention relates to a measuring transducer which is constructed in a modular manner. A sensor module (1) and a module (2) of an evaluation unit are provided with a non-volatile memory (16, 20) respectively. Compensating parameters for compensating specific measuring inaccuracies are stored in said memory. Compensating parameters can thus be advantageously stored on each respective component and are used to compensate errors therein. Maintenance is thus made easier and individual modules of a measuring transducer can be exchanged without having to adapt remaining modules or compensate the measuring transducer again.

Description

WO 00/50847 PCTtDEOO/00467 WO 00/50847 PCTtDEOO / 00467
Beschreibungdescription
MeßumformerTransmitter
Die Erfindung betrifft einen Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a transmitter according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger Meßumformer ist bereits aus derSuch a transmitter is already from the
DE 195 33 505 AI bekannt. Bei Sensoren, die zur Umwandlung einer physikalischen oder chemischen Große m ein elektrisches Signal üblicherweise m Meßumformern eingesetzt werden, tritt das Problem auf, daß sie sich unter der Einwirkung einer äußeren Einflußgroße nicht so verhalten, wie es gewünscht ist. Dies gilt insbesondere hinsichtlich des Em- flusses der Temperatur als äußerer Einflußgroße. Beispielsweise Drucksensoren m Halbleitertechnik, wie sie in Druckoder Druckdifferenzmeßumformern verwendet werden, weisen häufig eine so große Temperaturabhangigkeit auf, daß sie die geforderte Meßgenauigkeit nicht ohne weiteres einhalten. Eine vorgegebene Meßgenauigkeit laßt sich dann nur dadurch erreichen, daß der Temperaturfehler kompensiert wird. Zur Bestimmung von Abgleichparametern, welche das durch die Temperatur als Einflußgroße verursachte Fehlverhalten des Meßumformers kompensieren, werden die Meßumformer m einen Ofen verbracht und an eine Datenverarbeitungseinrichtung angeschlossen. Bei verschiedenen Temperaturen werden die jeweiligen Temperaturwerte und die Ausgangswerte der Meßumformer m der Datenverarbeitungseinrichtung erfaßt. Diese erzeugt m Abhängigkeit der erfaßten Werte Abgleichparameter zur Kompen- sation der Temperaturabhangigkeit und gibt diese an den Meßumformer. Dadurch wird sichergestellt, daß die Meßwerte des Meßumformers unabhängig von Temperaturanderungen sind. Durch Variation der physikalischen oder chemischen Große, die mit einem Meßumformer erfaßt werden soll, werden m ähnlicher Weise auch Nichtlmeaπtaten des Meßumformers kompensiert. Insbesondere bei Druckmeßumformern mit piezoresistiven Sen¬ soren m ssen die exemplarspezifischen Sensoreigenschaften individuell ermittelt und kompensiert werden, da diese Sen¬ soren starken Exemplarstreuungen unterliegen. Die Abgleich- parameter können als Hardware-Anpassung, z. B. mit veränder¬ lichen Verstarkungswiderstanden m einer Analogschaltung, oder als numerische Werte zur rechnerischen Kompensation hinterlegt werden. Auf diese Weise erhalt jeder Meßumformer individuelle Abgleichparameter, die m einer Auswerteeinheit hinterlegt sind. Ein nachträglicher Wechsel einzelner Komponenten eines Meßumformers, beispielsweise der Auswerteeinheit oder des Sensors, m einer prozeßtechnischen Anlage vor Ort ist nicht ohne weiteres möglich, da erneut die Abgleichparameter bestimmt werden müssen. Der Meßumformer kann nur als Ganzes ausgetauscht werden, was aufgrund des mechanischen Einbaus und der Befestigung des Meßumformers m der proze߬ technischen Anlage mit einem hohen Aufwand verbunden ist.DE 195 33 505 AI known. The problem with sensors which are used to convert a physical or chemical quantity to an electrical signal, usually m transducers, is that they do not behave as desired under the influence of an external influencing variable. This applies in particular with regard to the inflow of temperature as an external influencing variable. For example, pressure sensors in semiconductor technology, such as those used in pressure or pressure difference transducers, often have such a large temperature dependency that they do not easily meet the required measurement accuracy. A predetermined measuring accuracy can then only be achieved by compensating for the temperature error. To determine adjustment parameters which compensate for the malfunction of the transmitter caused by the temperature as an influencing variable, the transmitters are placed in an oven and connected to a data processing device. At different temperatures, the respective temperature values and the output values of the transducers m of the data processing device are recorded. Depending on the recorded values, this generates adjustment parameters to compensate for the temperature dependency and passes them on to the transmitter. This ensures that the measurement values of the transmitter are independent of temperature changes. By varying the physical or chemical quantity that is to be recorded with a transmitter, non-parameters of the transmitter are also compensated in a similar manner. Especially with pressure transmitters with piezoresistive sensors Sen ¬ m the copy specific sensor properties KISSING be individually determined and compensated, as they are subject Sen ¬ sors strong manufacturing tolerances. The adjustment parameters can be adapted as hardware, e.g. B. with Variegated ¬ union Verstarkungswiderstanden m of an analog circuit, or be stored as numerical values for the computational compensation. In this way, each transmitter receives individual adjustment parameters that are stored in an evaluation unit. Subsequent replacement of individual components of a transmitter, for example the evaluation unit or the sensor, in a process plant on site is not readily possible since the adjustment parameters have to be determined again. The transmitter can only be replaced as a whole, which is due to the mechanical installation and mounting of the transducer of process engineering plant ¬ m associated with a high cost.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßumformer zu schaffen, der einen Austausch einzelner Komponenten und somit eine einfache Wartung m einer prozeßtechnischen Anlage ermöglicht .The invention has for its object to provide a transmitter that enables an exchange of individual components and thus easy maintenance in a process plant.
Zur Losung dieser Aufgabe weist der neue Meßumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteranspruchen sind vorteilhafte Weiterbildungen beschrieben.To solve this problem, the new transmitter of the type mentioned has the features specified in the characterizing part of claim 1. Advantageous further developments are described in the subclaims.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß beispielsweise eine elek- tronische Auswerteeinheit eines Meßumformers im Fehlerfall ausgetauscht werden kann, ohne m den Prozeß eingreifen zu müssen. Insbesondere eine Sensoreinheit, die unter Umstanden nicht ohne weiteres aus der prozeßtechnischen Anlage entfernt werden kann, kann dabei m der Anlage verbleiben. Dadurch wird ein Hochrusten des Meßumformers auf eine andere Schnittstelle ohne einen Austausch des gesamten Geräts möglich. Ein Meßumformer, der beispielsweise bisher mit einer 4- bis 20-mA-Schnιttstelle betrieben wurde, kann durch Austausch der modularen Auswerteeinheit auf eine Feldbusschnittstelle, z. B. eine PROFIBUS PA-Schnittstelle, aufgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den modularen Aufbau des Meßumformers hinsichtlich der Handhabung bei der Meßumformer¬ herstellung. Wahrend bisher Sensor und Auswerteeinheit nach dem Zusammenbau und dem individuellen Abgleich nur noch ge¬ meinsam im Materialfluß gehandhabt und nie wieder getrennt werden durften, können nun die Module einzeln gefertigt und abgeglichen werden. Die Abgleichparameter werden m vorteil¬ hafter Weise den Modulen zugeordnet, m denen sie für den Abgleich benotigt werden. Fehlerhafte Einzelteile können so¬ mit bereits frühzeitig m der Fertigung ausgesondert werden. Insgesamt ergeben sich somit geringere Herstellungskosten des Meßumformers.The invention has the advantage that, for example, an electronic evaluation unit of a transmitter can be replaced in the event of a fault without having to intervene in the process. In particular, a sensor unit, which may not be easily removed from the process engineering system, can remain in the system. This makes it possible to upgrade the transmitter to another interface without replacing the entire device. A transmitter that previously used, for example, a 4- to 20 mA interface was operated, can be replaced by replacing the modular evaluation unit on a fieldbus interface, for. B. a PROFIBUS PA interface can be upgraded. A further advantage is the modular structure of the transmitter in terms of handling at the transmitter ¬ manufacture. Could be during hitherto sensor and evaluation after assembly and individual adjustment only ge ¬ handled jointly in the material and never separated again, can now use the modules individually are manufactured and calibrated. The calibration parameters are assigned to m ¬ advantageous manner the modules, m which they are needed for matching. Faulty individual parts can thus be removed early in production. Overall, this results in lower manufacturing costs for the transmitter.
Prinzipiell können die Abgleichparameter durch eine Anpassung der Hardware, beispielsweise durch Abgleich von Verstarkungs- widerstanden, auf dem jeweiligen Modul hinterlegt werden. In intelligenten Meßumformern, die m der Auswerteeinheit einen Mikroprozessor mit einem Auswerteprogramm aufweisen, kann alternativ ein nichtfluchtiger Speicher, insbesondere ein sogenanntes EEPROM, zur Hinterlegung der Abgleichparameter verwendet werden. Das hat den Vorteil, daß unkritische digi- tale Signale über die elektrische Schnittstelle zwischenIn principle, the adjustment parameters can be stored on the respective module by adapting the hardware, for example by adjusting reinforcement resistances. In intelligent transducers, which have a microprocessor with an evaluation program in the evaluation unit, a non-volatile memory, in particular a so-called EEPROM, can alternatively be used to store the adjustment parameters. This has the advantage that uncritical digital signals between the electrical interface
Sensormodul und Modul der Auswerteeinheit zu übertragen sind. Schwankungen des Kontaktwiderstands am elektrischen Verbinder können somit den Wert der Abgleichparameter nicht verfalschen.Sensor module and module of the evaluation unit are to be transferred. Fluctuations in the contact resistance on the electrical connector cannot falsify the value of the adjustment parameters.
Da der Sensor einen Meßwiderstand aufweist, der m Abhängigkeit der zu messenden physikalischen oder chemischen Große seinen ohmschen Widerstand verändert, kann der Sensor vorteilhaft über die elektrische Schnittstelle m Vierleiter- technik mit einer geregelten Spannung versorgt werden. Dabei dienen zwei Leiter zur Erfassung der am Sensor anliegenden Spannung, wahrend der Strom über die zwei verbleibenden Lei- ter dem Sensor zugeführt wird. Da die beiden Leiter zur Span¬ nungserfassung somit praktisch stromlos sind, wird die gemes¬ sene Spannung nicht durch den Spannungsabfall auf den Leitern verfälscht und die Versorgungsspannung des Sensors kann exakt eingestellt werden. Zudem wird die gemessene Spannung nicht durch die Kontaktwiderstände der elektrischen Verbinder zwi¬ schen Sensormodul und Auswerteeinheit verfälscht, die gewis¬ sen Schwankungen unterliegen können. Alternativ kann eine Konstantstrom-Einspeisung in den Sensor erfolgen. Zusätzliche Leiter zur Erfassung der am Einspeisepunkt beim Sensor abfallenden Spannung können dabei gegebenenfalls weggelassen werden.Since the sensor has a measuring resistor that changes its ohmic resistance depending on the physical or chemical quantity to be measured, the sensor can advantageously be supplied with a regulated voltage via the electrical interface using four-wire technology. Two conductors are used to measure the voltage applied to the sensor, while the current via the two remaining cables ter is fed to the sensor. Since the two conductors for clamping ¬ voltage detection are thus practically without current, the voltage gemes ¬ sene is not distorted by the voltage drop at the conductors and the supply voltage of the sensor can be exactly adjusted. In addition, the measured voltage is not distorted by the contact resistance of the electrical connector Zvi ¬ rule sensor module and evaluation unit which GeWiS ¬ sen variations may be subject. Alternatively, constant current can be fed into the sensor. Additional conductors for detecting the voltage drop at the sensor feed point can optionally be omitted.
Der Sensor kann je nach Ausführung des Sensormoduls und der Auswerteeinheit wahlweise mit Wechselstrom/-spannung oder Gleichstrom/-spannung gespeist werden.Depending on the version of the sensor module and the evaluation unit, the sensor can be supplied with alternating current / voltage or direct current / voltage.
Eine Verschaltung des Widerstands in einem Zweig einer auf dem Sensormodul angeordneten Meßbrücke, deren Brückenspannung über die elektrische Schnittstelle von Sensormodul zur Auswerteeinheit geführt ist, hat den Vorteil, daß die Brückenspannung hochohmig abgegriffen werden kann und somit auch hier keine Probleme mit den Kontaktwiderständen des elektrischen Verbinders entstehen.An interconnection of the resistor in a branch of a measuring bridge arranged on the sensor module, the bridge voltage of which is led via the electrical interface from the sensor module to the evaluation unit, has the advantage that the bridge voltage can be tapped with high impedance and thus also no problems with the contact resistances of the electrical connector arise.
Um ein durch Temperaturschwankungen verursachtes Fehlverhalten des Sensors zu kompensieren, wird in vorteilhafter Weise auf dem Sensormodul ein Temperaturmeßwiderstand angeordnet, der ebenfalls über die elektrische Schnittstelle mit der Aus- werteeinheit verbunden wird. Der Meßwiderstand befindet sich somit nahe beim Sensor und erfaßt unmittelbar dessen Temperatur. Für eine hohe Meßgenauigkeit kann erforderlichenfalls auch die Versorgung dieses Meßwiderstands in Vierleitertechnik erfolgen.In order to compensate for a sensor malfunction caused by temperature fluctuations, a temperature measuring resistor is advantageously arranged on the sensor module, which is also connected to the evaluation unit via the electrical interface. The measuring resistor is thus close to the sensor and detects its temperature directly. If necessary, this measuring resistor can also be supplied using four-wire technology for high measuring accuracy.
Zudem kann das Modul der Auswerteeinheit mit einem Temperatursensor versehen werden, um den Einfluß der Temperatur auf die Auswerteelektronik zu kompensieren. Bei Meßumformern kann in der praktischen Anwendung die Situation auftreten, daß die Temperatur der Auswerteeinheit wesentlich von der Temperatur des Sensors abweicht. In diesen Fällen führt eine getrennte Kompensation des jeweils durch die verschiedenen Temperaturen verursachten Fehlverhaltens zu einer besseren Meßgenauigkeit des Meßumformers. Die zur Kompensation des Fehlverhaltens der Auswerteeinheit erforderlichen Abgleich¬ parameter werden vorteilhaft auf dem Modul der Auswerte- einheit hinterlegt.In addition, the module of the evaluation unit can be provided with a temperature sensor in order to determine the influence of the temperature to compensate for the evaluation electronics. In the case of transmitters, the situation can arise in practical use that the temperature of the evaluation unit deviates significantly from the temperature of the sensor. In these cases, separate compensation of the malfunction caused by the different temperatures leads to better measuring accuracy of the transmitter. The required for compensation of the failure of the evaluation unit balance ¬ parameters are advantageously stored on the module of the evaluation unit.
Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert.Based on the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and embodiments and advantages are explained in more detail below.
In Figur 1 ist ein Blockschaltbild eines Meßumformers, in Figur 2 ein Schaltbild der Meßelektronik dargestellt.FIG. 1 shows a block diagram of a transmitter, and FIG. 2 shows a circuit diagram of the measuring electronics.
Besonders deutlich wird der odulare Aufbau des Meßumformers anhand Figur 1. Ein Sensormodul 1, das zur Umwandlung einer physikalischen oder chemischen Größe in ein elektrisches Signal 14 dient, ist durch elektrische Verbinder 10, 11 und 12 mit einer Auswerteeinheit 2 verbunden. An die modular auf¬ gebaute Auswerteeinheit 2 ist ein EMV-Modul 3 für eine ana- löge 4- bis 20-mA-Schnittstelle mit gleichzeitiger, digitaler Datenübertragung nach dem HART-Protokoll angeschlossen. Wei¬ terhin ist der Meßumformer mit einer Eingabeeinheit 4 und einer LCD-Anzeige 5 ausgestattet, die ebenfalls mit elektri¬ schen Verbindern 7 bzw. 8 an das Modul 2 der Auswerteeinheit gekoppelt und als Bedienmodul ausgebildet sind. Die elektrische Schnittstelle zwischen Sensormodul 1 und Modul 2 der Auswerteeinheit wird durch drei elektrische Verbinder 10, 11 und 12 realisiert. Alternativ können die erforderlichen Kontakte selbstverständlich auch in einem Verbinder zusammen- gefaßt werden. Auf dem Sensormodul 1 befinden sich Meßelemente 13, die ein Signal 14, das im wesentlichen dem Wert der physikalischen oder chemischen Größe, hier einem Meß- druck, entspricht, und ein Signal 15, das den Wert der Tempe¬ ratur wiedergibt, liefern. Als Mittel zur Hinterlegung von Abgleichparametern ist weiterhin auf dem Sensormodul 1 ein EEPROM 16 als nichtfluchtiger Speicher angeordnet. In dem EEPROM 16 sind exemplarspezifische Parameter hinterlegt, die bei einem Abgleich des Sensormoduls 1 zur Kompensation des durch die Temperatur als äußere Einflußgroße verursachten Fehlverhaltens und von Nichtlmearitaten der Meßelemente 13 ermittelt wurden. Die m dem EEPROM 16 hinterlegten Abgleich- parameter werden über den elektrischen Verbinder 12 von einem Mikroprozessor 17, der sich auf dem Modul 2 der Auswerte- emheit befindet, ausgelesen und m einem Auswerteprogramm zur Kompensation verwendet. Zur Wandlung der von dem Sensormodul 1 gelieferten elektrischen Signale 14 und 15 m eine durch den Mikroprozessor 17 verarbeitbare Form dient ein Analog/Digital-Wandler 19, dem ein Multiplexer 18 vorgeschaltet ist. Auf den Multiplexer 18 ist weiterhin ein Aus- gangssignal eines Temperatursensors 20 gefuhrt, der auf dem Modul 2 der Auswerteeinheit nahe bei der Meßelektronik an- geordnet ist und somit deren Temperatur erfaßt. Bei einemThe modular structure of the transmitter is particularly clear on the basis of FIG. 1. A sensor module 1, which is used to convert a physical or chemical variable into an electrical signal 14, is connected to an evaluation unit 2 by electrical connectors 10, 11 and 12. To the modular built on ¬ evaluation unit 2, an EMC module 3 is connected to an ana- löge 4 to 20 mA interface with simultaneous, digital data transmission according to the HART protocol. Wei ¬ thermore, attention must feature the transmitter to an input unit 4, and an LCD display 5, the rule also provided with electrical connectors are ¬ 7 and 8 coupled to the module 2 of the evaluation unit and designed as a control module. The electrical interface between sensor module 1 and module 2 of the evaluation unit is realized by three electrical connectors 10, 11 and 12. Alternatively, the necessary contacts can of course also be combined in a connector. On the sensor module 1 there are measuring elements 13 which emit a signal 14 which essentially corresponds to the value of the physical or chemical quantity, here a measuring pressure corresponds to, and a signal 15 which represents the value of the tempering temperature ¬ supply. An EEPROM 16 is also arranged on the sensor module 1 as a non-volatile memory as a means of storing adjustment parameters. In the EEPROM 16, specimen-specific parameters are stored, which were determined when the sensor module 1 was compared in order to compensate for the misconduct caused by the temperature as an external factor and non-imperfections of the measuring elements 13. The adjustment parameters stored in the EEPROM 16 are read out via the electrical connector 12 by a microprocessor 17, which is located on the module 2 of the evaluation unit, and used in an evaluation program for compensation. An analog / digital converter 19, to which a multiplexer 18 is connected upstream, is used to convert the electrical signals 14 and 15 m supplied by the sensor module 1 and which can be processed by the microprocessor 17. An output signal of a temperature sensor 20 is also fed to the multiplexer 18, which is arranged on the module 2 of the evaluation unit close to the measuring electronics and thus detects its temperature. At a
Abgleich der Meßelektronik, insbesondere der m Figur 1 nicht dargestellten Emgangssignalverstarker und des A/D-Wandlers 19, werden Abgleichparameter zur Kompensation der Temperaturdrift ermittelt und m ein EEPROM 21, das sich ebenfalls auf dem Modul 2 der Auswerteeinheit befindet, eingeschrieben. Die im EEPROM 21 hinterlegten Abgleichparameter werden vom Auswerteprogramm des Mikroprozessors 17 zur Kompensation von Nichtlmearitaten und des durch die Temperatur verursachten Fehlverhaltens der Meßelektronik auf dem Modul 2 der Aus- werteemheit herangezogen. Ein Schnittstellenbaustem 22 dient zur Durchfuhrung einer Kommunikation beispielsweise mit einer an Leitungen 23 angeschlossenen, m Figur 1 nicht dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung. Ein nach der Kompensation durch den Mikroprozessor 41 errechnetes, den Meß- wert des Drucks darstellendes Meßsignal wird über die Leitungen 23 analog übertragen und numerisch auf der Anzeige 5 ausgegeben. Der Schnittstellenbaustem 22 erzeugt zudem aus dem 4- bis 20-mA-Sιgnal der Schnittstelle die Versorgungs¬ spannung für die elektronischen Komponenten des Meßumformers. Soll der gezeigte Meßumformer auf eine Kommunikation über einen Feldbus, z. B. PROFIBUS PA, umgerüstet werden, so müs¬ sen lediglich das Modul 2 der Auswerteeinheit und das EMV- Modul 3 gegen entsprechende, für die gewünschte Feldbus- kommunikation ausgebildete Module ausgetauscht werden. Eine Umrüstung ist somit möglich, ohne den Sensor zu wechseln und ohne einen Eingriff den Prozeß vorzunehmen.Adjustment of the measuring electronics, in particular the input signal amplifier (not shown in FIG. 1) and the A / D converter 19, adjustment parameters for compensation of the temperature drift are determined and an EEPROM 21, which is also located on module 2 of the evaluation unit, is written. The adjustment parameters stored in the EEPROM 21 are used by the evaluation program of the microprocessor 17 to compensate for non-imperfections and the malfunction of the measuring electronics caused by the temperature on the module 2 of the evaluation unit. An interface module 22 is used to carry out communication, for example with a data processing device connected to lines 23, not shown in FIG. 1. A measurement signal calculated after the compensation by the microprocessor 41 and representing the measured value of the pressure is transmitted analogously via the lines 23 and is output numerically on the display 5. The interface module 22 also generates the 4 to 20 mA Sιgnal the interface, the supply ¬ voltage for the electronic components of the transmitter. If the transmitter shown on a communication via a fieldbus, for. B. PROFIBUS PA are converted, so Müs ¬ sen only the module 2 of the evaluation unit and the EMC module 3 against corresponding, for the desired field bus communication module configured to be replaced. Retrofitting is thus possible without changing the sensor and without having to intervene in the process.
In Figur 2 sind links von einer gestrichelten Linie 30, welche die Schnittstelle zwischen Sensormodul und Modul der Aus- wertee heit markiert, elektronische Teile des Sensormoduls und rechts der gestrichelten Linie 30 die zur Realisierung der Schnittstelle relevanten Teile der Auswerteeinheit dargestellt. Mit piezoresistiven Elementen, die zu einer Wider- standsbrucke 31 verschaltet und auf einer dem zu messenden Druck ausgesetzten Membran angeordnet sind, wird ein dem Wert des Drucks entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Durch zwei Verstarker 32 und 33 wird die Meßbrücke 31 mit einer geregelten Spannung versorgt. Dabei sind zwei Leiter 34 und 35 stromführend, wahrend mit zwei Leitern 36 und 37 die tatsachlich an der Meßbr cke 31 anliegende Spannung hochohmig erfaßt, auf die Verstarker 32 bzw. 33 zurückgeführt und em- geregelt wird. Zwei Referenzspannungsquellen 38 und 39 dienen zur Stabilisierung der Spannung. Mit einem Digital/Analog- Wandler 40, der durch einen Mikroprozessor 41 angesteuert wird, kann der Spannungssollwert des Verstärkers 32 m einem gewissen Bereich variabel eingestellt werden. Dies ist vor- teilhaft, um eine hochgenaue Bruckenversorgungsspannung zu gewährleisten und die Bruckenspannung m einem Abgleich der Auswerteeinheit auf einen vorgebbaren Wert einstellen zu können. In dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel sind zwei Referenzspannungsquellen 38 und 39 zur Erzeugung einer be- liebigen konstanten Spannung vorgesehen. Zur Reduktion des Aufwands kann beispielsweise die Referenzspannungsquelle 39 entfallen, wenn der jeweilige Sollwert fest auf 0 V emge- stellt wird. Ein Meßwiderstand 42 dient zur Erfassung der Temperatur des Sensormoduls. Sein Ausgangssignal ist über einen Vorverstärker 43 auf einen Analogeingang eines A/D- Wandlers 44 geführt. Ebenso wird mit einem Temperatursensor 45 die Temperatur der Meßelektronik auf dem Modul der Aus¬ werteeinheit gemessen und über den Analog/Digital-Wandler 44 an den Mikroprozessor 41 weitergegeben. Ein weiterer Signalverstärker 46 ist zur Verstärkung der Brückenspannung der Meßbrücke 31 vorgesehen, die ebenfalls auf einen Eingang des Analog/Digital-Wandlers 44 gelegt ist. Sowohl auf dem Sensor- modul als auch auf dem Modul der Auswerteeinheit ist jeweils ein EEPROM 47 bzw. 48 angeordnet, das durch den Mikroprozessor 41 ausgelesen werden kann. Somit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die in einem Abgleich ermittelten Parameter jeweils auf dem Modul zu hinterlegen, dessen Fehlverhalten mit Hilfe der Abgleichparameter kompensiert werden soll.In FIG. 2, electronic parts of the sensor module are shown to the left of a dashed line 30, which marks the interface between the sensor module and module of the evaluation unit, and to the right of the dashed line 30, the parts of the evaluation unit that are relevant for realizing the interface. An electrical signal corresponding to the value of the pressure is generated with piezoresistive elements which are connected to form a resistance bridge 31 and are arranged on a membrane exposed to the pressure to be measured. The measuring bridge 31 is supplied with a regulated voltage by two amplifiers 32 and 33. In this case, two conductors 34 and 35 are live, while with two conductors 36 and 37 the voltage actually applied to the measuring bridge 31 is detected with high resistance, is returned to the amplifiers 32 and 33 and is regulated. Two reference voltage sources 38 and 39 serve to stabilize the voltage. With a digital / analog converter 40, which is controlled by a microprocessor 41, the voltage setpoint of the amplifier 32 can be variably set within a certain range. This is advantageous in order to ensure a highly precise bridge supply voltage and to be able to adjust the bridge voltage to a predeterminable value by comparing the evaluation unit. In the exemplary embodiment shown, two reference voltage sources 38 and 39 are provided for generating any constant voltage. To reduce the effort, for example, the reference voltage source 39 can be omitted if the respective setpoint is fixed at 0 V is posed. A measuring resistor 42 is used to detect the temperature of the sensor module. Its output signal is routed via a preamplifier 43 to an analog input of an A / D converter 44. Also, the temperature of the measuring electronics on the module of the off ¬ evaluation unit is measured and passed through the analog / digital converter 44 to the microprocessor 41 with a temperature sensor 45th Another signal amplifier 46 is provided for amplifying the bridge voltage of the measuring bridge 31, which is also connected to an input of the analog / digital converter 44. An EEPROM 47 or 48, which can be read out by the microprocessor 41, is arranged on both the sensor module and the module of the evaluation unit. It is thus advantageously possible to store the parameters determined in a comparison in each case on the module whose incorrect behavior is to be compensated for with the aid of the comparison parameters.
In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Meßbrücke mit einer genauen Konstantstromquelle gespeist. Dadurch können in vorteilhafter Weise Leitungen zum Abgriff der an der Meßbrücke anliegenden Spannung entfallen. In another embodiment, not shown, a measuring bridge is fed with an accurate constant current source. In this way, lines for tapping off the voltage applied to the measuring bridge can advantageously be omitted.

Claims

Patentansprüche claims
1. Meßumformer1. Transmitter
- mit einem Sensor (13) zur Umwandlung einer physikalischen oder chemischen Größe in ein elektrisches Signal (14),- With a sensor (13) for converting a physical or chemical variable into an electrical signal (14),
- mit einer Auswerteeinheit (2) , durch welche anhand des elektrischen Signals (14) ein den Meßwert der physikali¬ schen oder chemischen Größe darstellendes Meßsignal er¬ zeugbar ist, und - mit Mitteln (16, 21) zur Hinterlegung von Abgleichparametern zur Kompensation exemplarspezifischer Meßungenauigkeiten, insbesondere von Nichtlinearitäten oder eines durch eine äußere Einflußgröße verursachten Fehlverhaltens, dadurch gekennzeichnet,- with an evaluation unit (2) through which the electrical signal (14) based an the measured value of the physi ¬ or chemical size representing measured signal it ¬ is zeugbar, and - with means (16, 21) on the deposit of tuning parameters to compensate for copy-specific Measurement inaccuracies, in particular of non-linearities or of a misconduct caused by an external influencing variable, characterized in that
- daß der Meßumformer modular aufgebaut ist,- that the transmitter is modular,
- daß Sensor (13) und Auswerteeinheit (2) jeweils als Module ausgebildet und durch eine elektrische Schnittstelle miteinander lösbar verbunden sind, - daß die Mittel (16) zur Hinterlegung der Abgleichparameter des Sensormoduls (1) auf dem Sensormodul angeordnet und als ein nichtflüchtiger Speicher (16) ausgebildet sind, der durch die Auswerteeinheit (2) über die elektrische Schnittstelle lesbar ist, - daß der Sensor (13) zumindest einen Widerstand aufweist, der in Abhängigkeit der physikalischen oder chemischen Größe seinen ohmschen Widerstand verändert, und- That sensor (13) and evaluation unit (2) are each designed as modules and releasably connected to each other by an electrical interface, - That the means (16) for storing the adjustment parameters of the sensor module (1) are arranged on the sensor module and as a non-volatile memory (16) are formed, which can be read by the evaluation unit (2) via the electrical interface, - that the sensor (13) has at least one resistor which changes its ohmic resistance depending on the physical or chemical variable, and
- daß der Sensor (13) über die elektrische Schnittstelle in Vierleitertechnik mit einer geregelten Spannung versorgt wird, wobei zwei stromführende Leiter (34, 35) und zwei Leiter (36, 37) zur Erfassung der am Sensor (13) anliegenden Spannung vorgesehen sind.- That the sensor (13) via the electrical interface in four-wire technology is supplied with a regulated voltage, two live conductors (34, 35) and two conductors (36, 37) are provided for detecting the voltage applied to the sensor (13).
2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß der Widerstand in einem Zweig einer auf dem2. Transmitter according to claim 1, characterized in that the resistance in one branch on the
Sensormodul (1) angeordneten Meßbrücke (31) verschaltet ist, deren Brückenspannung über die elektrische Schnittstelle zur Auswerteeinheit (2) geführt ist.Sensor module (1) arranged measuring bridge (31) is connected, whose bridge voltage is led to the evaluation unit (2) via the electrical interface.
3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß auf dem Sensormodul (1) ein Temperatur¬ meßwiderstand (42) angeordnet ist, der über die elektrische Schnittstelle mit der Auswerteeinheit (2) verbunden ist.3. Transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that a temperature ¬ measuring resistor (42) is arranged on the sensor module (1), which is connected via the electrical interface to the evaluation unit (2).
4. Meßumformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Modul (2) der Auswerteeinheit ein Temperatursensor (20, 45) vorgesehen ist, um den Einfluß der Temperatur auf die Auswerteelektronik zu kompensieren . 4. Transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature sensor (20, 45) is provided on the module (2) of the evaluation unit in order to compensate for the influence of the temperature on the evaluation electronics.
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