DE60016422T2

DE60016422T2 - Vorhersage der groesse eines fehlers in einem druckwandler

Info

Publication number: DE60016422T2
Application number: DE60016422T
Authority: DE
Inventors: Evren Eryurek; A. Gary LENZ; Kadir Kavaklioglu
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: CN1148571C; JP2003508742A; DE60016422D1; JP3515558B2; WO2001016571A1; WO2001016571A9; US6701274B1; EP1206689B1; CN1371475A; AU7075500A; EP1206689A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Druckmessumformer, welche Prozessdrücke messen und ein Ausgangssignal mit einer Stärke, welche den Prozessdruck wiedergibt, anzeigen oder übertragen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Druckmessumformer werden oft in rauhen Umgebungen eingesetzt, welche die Genauigkeit des Messumformer-Ausgangssignals beeinträchtigen können. Messumformer-Ausgangssignale werden für vorliegende Umweltbedingungen auch oft mit Hilfe eines in dem Messumformer eingebauten Reglers korrigiert, indem ein als Kompensation bezeichneter Vorgang verwendet wird. Es wurden auch Anordnungen zum Speichern der Amplitude und Dauer von Überdruckspitzen, Temperatur, Feuchtigkeit und Schwingung vorgeschlagen, so dass ein Alarm ausgelöst wird, wenn der Druckmessumformer so schwerwiegend beschädigt wird, dass er am Ende seiner Nutzzeit angekommen ist, wie es beispielsweise in der Japanischen Kokoku 2,712,701 (Kokai Hei 3[1991]-229124) gezeigt ist.
Es stellte sich jedoch heraus, dass Drucksensoren in Druckmessumformern physikalischen Veränderungen als Ergebnis vorheriger Überdrücke lange vor dem Ende der Standzeit des Messumformers ausgesetzt sind. Diese physikalischen Veränderungen treten mit großer Wahrscheinlichkeit bei Drucksensoren auf, die Metallbauteile aufweisen, die wiederholt durch den Überdruck beansprucht werden. Diese physikalischen Veränderungen haben eine Verschlechterung der Genauigkeit des Messumformer-Ausgangssignals zur Folge, wobei diese Verschlechterung jedoch unbemerkt bleiben kann, was zu einer schlechteren Leistung des Prozesses und erhöhten Kosten führen kann. Diese Verschlechterung wird nicht durch bekannte Kompensationsanordnungen korrigiert, welche sich nur auf gegenwärtige Umweltbedingungen richten. Auch wird diese Verschlechterung nicht durch einen Alarm identifiziert, der das Ende der Standzeit anzeigt, da eine Verschlechterung bereits am Anfang der Nutzlebensdauer des Messumformers auftreten kann.
EP-A2-0,512,794 offenbart einen Drucksensor für die Erfassung von Fluidlecken. Eine Frequenzantwort des Drucksensors wird aufgezeichnet und kann zur Erfassung von Anomalien verwendet werden.
US 5,103,409 offenbart einen Drucksensor mit einem Speicher, so dass eine Auflistung von Betriebsanomalien vorgenommen werden kann.
US 5,089,979 offenbart einen Messfühler mit einer zugehörigen Vorrichtung zum Speichern von Fehlerkorrektur-Tabellen, die zur Verbesserung von mit Hilfe des Messfühlers erhaltenen Ablesungen verwendet werden können.
US 5,539,638 offenbart einen Verbrennungsmotor mit Temperatur- und Drucksensoren. Die Ablesungen von diesen Sensoren werden an ein Modell weitergeleitet, welches die vom Motor erzeugten Abgase vorhersagt.
Es wird ein Messumformer benötigt, der eine augenblickliche Größe eines Fehlers eines Messumformer-Ausgangssignals aufgrund vorheriger Überdrücke vorhersagen kann. Bei Vorhandensein einer derartigen vorhergesagten Größe kann das Wartungspersonal die Größe des Fehlers bewerten und rechtzeitig eingreifen, um den Druckmessumformer neu zu kalibrieren, wenn der Fehler zu groß ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Druckmessumformer bereit, welcher Folgendes aufweist: einen Drucksensor, der so ausgelegt ist, dass er einen Prozessdruck misst; einen Regler, der mit dem Drucksensor verbunden ist und so ausgelegt ist, dass er ein den Prozessdruck wiedergebendes Messumformer-Ausgangssignal erzeugt; einen Speicher, der vorbestimmte Daten speichert, welche die Fehlergröße eines Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Sensorausgangspegel vorhersagt, und ein Protokoll der kumulativen übermäßig hohen Sensorausgangspegel speichert; und wobei der Regler so ausgelegt ist, dass er eine vorhergesagte vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des aufsummierten Protokolls und der vorhergesagten Daten berechnet, und dass er ein Vorhersage-Ausgangssignal erzeugt.
Die vorliegende Erfindung liefert weiter ein Verfahren zur Vorhersage der vorliegenden Fehlergröße eines Messumformer-Ausgangssignals in einem Druckmessumformer, der einen angelegten Prozessdruck empfängt und einen eingebauten Regler aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Zugreifen auf den gemessenen Prozessdruck von einem Drucksensor; Erzeugen eines Messumformer-Ausgangssignals mit einer Größe, welche den Prozessdruck wiedergibt; Zugreifen auf in einem Speicher gespeicherte vorbestimmte Daten, wobei die Daten Fehlergrößen eines Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke vorhersagen; Speichern eines Protokolls kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke im Speicher und Erzeugen eines Vorhersage-Ausgangssignals im Regler, welches eine vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des gespeicherten Protokolls und der Daten, auf die zugegriffen wird, vorhersagt.
Die vorliegende Erfindung stellt darüber hinaus ein computerlesbares Medium mit darauf gespeicherten Befehlen bereit, welche von einem eingebauten Regler in einem Druckmessumformer ausführbar sind, um die Erzeugung eines Vorhersage-Ausgangssignals durch den Druckmessumformer zu bewirken, welches den durch den übermäßig hohen Prozessdruck verursachten Messumformerfehler vorhersagt, wobei die Befehle folgende Befehle umfassen: Zugreifen auf den gemessenen Prozessdruck von einem Drucksensor; Erzeugen eines Messumformer-Ausgangssignals mit einer Größe, welche den Prozessdruck wiedergibt; Zugreifen auf in einem Speicher gespeicherte vorbestimmte Daten, wobei die Daten Fehlergrößen eines Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke vorhersagen; Speichern eines Protokolls kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke im Speicher und Erzeugen eines Vorhersage-Ausgangssignals im Regler, welches eine vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des gespeicherten Protokolls und der Daten, auf die zugegriffen wird, vorhersagt.
Eine Vorhersage einer vorliegenden Größe eines Fehlers eines Messumformer-Ausgangssignals wird in einem Regler in einem Druckmessumformer berechnet. Der Regler berechnet eine vorhergesagte augenblickliche Größe eines Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion eines im Speicher aufsummierten Protokolls übermäßig hoher Sensorausgangspegel und vorbestimmter Daten, die im Speicher gespeichert sind, welche die Größen von Fehlern des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Sensorausgangspegel vorhersagt. Der Regler erzeugt ein Vorhersage-Ausgangssignal, das vom Wartungspersonal oder einem Regelsystem für eine planmäßige Neukalibrierung des Druckmessumformers gelesen werden kann.
Der Druckmessumformer weist einen Drucksensor auf, welcher an den Regler koppelt, und der zur Messung des Prozessdrucks ausgelegt ist. Der Regler erzeugt ein Druckmessumformer-Ausgangssignal, das die Größe des Prozessdrucks wiedergibt.
Das Vorhersage-Ausgangssignal warnt das Wartungspersonal, wenn sich das Druckmessumformer-Ausgangssignal aufgrund des vorherigen Überdrucks zu stark verändert hat, und das Wartungspersonal kann Schritte zur Neukalibrierung des Druckmessumformer-Ausgangssignals ergreifen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine typische industrielle Umgebung für einen schleifenbetriebenen industriellen Druckmessumformer;
2 eine Ausführungsform eines schleifenbetriebenen industriellen Differenzdruck-Messumformers mit einem vorhersagenden Ausgangssignal, welches die Größe des Fehlers im Druckausgangssignal des Messumformers aufgrund einer Überdruckbeschädigung vorhersagt;
3 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Druckmessumformers mit einem Ausgangssignal, das die Größe des Fehlers im Druckausgangssignal des Druckmessumformers vorhersagt;
4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Druckmessumformers mit einem Ausgangssignal, das die Größe des Fehlers im Druckausgangssignal des Druckmessumformers vorhersagt;
5 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Druckmessumformers mit einem Ausgangssignal, das die Größe des Fehlers im Druckausgangssignal des Druckmessumformers vorhersagt;
6 ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches die Größe des Fehlers in einem Ausgangssignal des Druckmessumformers vorhersagt;
7 die Größen eines vorliegenden Fehlers, ein Fehlervorhersage-Ausgangssignal und spezifische Fehlergrenzen für einen Messumformer mit einem Ausgangssignal, das die Größe des Fehlers im Ausgangssignal des Druckmessumformers vorhersagt, wobei alle Größen eine Funktion der Zeit sind;
8 ein Diagramm, das ein vereinfachtes Neuronennetz zeigt;
9A ein Diagramm, das ein Neuronennetz zeigt, das zur Lieferung einer Schätzung der verbleibenden Standzeit verwendet wird;
9B ein Schaubild der verbleibenden Standzeit des Sensors im Verhältnis zur Zeit;
10 ein Schaubild, welches das Ausgangssignal eines Drucksensors zeigt, einschließlich eines normalen Druckbereichs und einer Reihe von Spitzenwerten aufgrund von Überdrücken, denen der Sensor ausgesetzt ist;
11 ein Schaubild, das den Gesamtbelastungsbereich in Prozent im Verhältnis zu der Anzahl von Zyklen bis zum Versagen bei unterschiedlichen Haltezeiten zeigt; und
12 ein Schaubild einer erwarteten Standzeit im Verhältnis zur Zeit für einen Drucksensor aufgrund von Überdrücken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGFORMEN
In 1 ist eine typische Umgebung für einen industriellen Drucksensor bei 20 dargestellt. In 1 sind Prozessvariablen-Messumformer, wie beispielsweise ein Durchflussmesser 22 in der Prozessfluid-Leitung 23, Pegelstand-Messumformer 24, 26 auf einem Tank 28, sowie ein integraler Mündungs-Durchflussmesser 30 in der Prozessleitung 31, in elektrischer Verbindung mit dem Regelsystem 32 gezeigt. Prozessvariablen-Messumformer können so konfiguriert sein, dass sie eine oder mehrere mit Fluiden in einer Prozessanlage, wie z.B. Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfe und Gase in Chemie-, Trübe-, Erdöl-, Gas-, Pharmazeutik-, Nahrungsmittel-, und anderen fluidverarbeitenden Anlagen, verbundene Prozessvariablen überwacht. Bei den überwachten Prozessvariablen kann es sich um Druck, Temperatur, Durchfluss, Pegel, pH-Wert, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Fluiden handeln. Ein Prozessvariaben-Messumformer schließt einen oder mehrere Sensoren ein, die entweder im Inneren des Messumformers oder außerhalb des Messumformers angeordnet sein können, abhängig von den Installationsanforderungen der Prozessanlage. Prozessvariaben-Messumformer erzeugen ein oder mehrere Messumformer-Ausgangssignale, welche die gemessene Prozessvariable wiedergeben. Messumformer-Ausgangssignale sind für die Übertragung über lange Entfernungen an einen Regler oder eine Anzeigevorrichtung über Kommunikationsbusse 34 konfiguriert. In typischen Fluid-Verarbeitungsanlagen kann ein Kommunikationsbus 34 eine 4–20 mA Stromschleife, die den Messumformer betreibt, oder eine Feldbus-Verbindung, eine HART-Protokollkommunikation (HART = Highway Adressable Remote Transmitter) oder eine faseroptische Verbindung mit einem Regler, einem Regelsystem oder einer Ablesung sein. In von einer Zweidrahtschleife betriebenen Messumformern muss die Energie niedrig gehalten werden, um Eigensicherheit in explosiven Atmosphären zu schaffen.
In 1 weist der integrale Mündungs-Durchflussmesser 30 einen Druckmessumformer 36 auf, der entlang einem damit verbundenen Kommunikationsbus 34 koppelt. Die Pegelstand-Messumformer 24, 26 weisen ebenfalls Druckmessumformer auf. Das Regelsystem 32 kann so programmiert werden, dass es Prozessbedingungen für einen menschlichen Bediener anzeigt, und kann so programmiert sein, dass es die Prozessbedingungen misst und den Prozess über Ausgabevorrichtungen, wie beispielsweise einen Strom/ Druck-Wandler 38 und ein Regelventil 40, regelt.
In 1 weisen die Druckmessumformer bei 24, 26 und 36 Drucksensoren auf, die übermäßig hohen Drücken, auch als Überdrücke bezeichnet, in unterschiedlichen Rohren und Tanks aufgrund von Fehlfunktionen oder vorübergehenden Bedingungen und dergleichen ausgesetzt werden können. Diese Übergangsspitzen können beim Ein- und Ausschalten von Pumpen und Ventilen auftreten und werden vom Maschinenbediener oftmals nicht bemerkt, können jedoch einen Überdruck auf die Bauteile in der Verarbeitungsanlage ausüben. Die Genauigkeit der Drucksensoren im Inneren der Druckmessumformer bei 24, 26 und 36 kann durch derartige Überdrücke verschlechtert werden, wobei das Ausmaß der Verschlechterung jedoch für gewöhnlich so klein ist, dass sie vom Bediener des Regelsystems 32 nicht bemerkt wird, und die unterschiedlichen Messungen sind aufgrund der Beschädigung nicht mehr präzise.
In 2 ist ist im Allgemeinen eine Explosionsansicht eines typischen erfindungsgemäßen Druckmessumformers 50 gezeigt. Der Messumformer 50 weist einen Flansch 52 für die Aufnahme eines Differenzdrucks, sowie einen oder mehrere Drucksensoren 54 (nicht gezeigt) auf. Der Messumformer 50 ist mit dem Flanschadapter 58 verschraubt. Der Flanschadapter 58 koppelt an mit den Flanschdapteranschlüssen 60 oder mit anderen Eisenteilen zur Verbindung verbundene Druckimpulsrohre.
In 2 ist die Schaltkreisanordnung 56 im Messumformer 50 elektrisch mit einem Sensor 54 verbunden und weist einen Regler sowie einen Speicher zur Vorhersage der Größe des Fehlers im Druck-Ausgangssignal 57 des Messumformers auf. Der Begriff "Regler", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bezeichnet jeden Schaltkreis oder jede Kombination von Schaltkreisen, die Logik- und Zählfunktionen zur Regelung des Betriebs eines Messumformers ausführen können und die notwendigen Schritte zur Vorhersage der Größe des Fehlers durchführen. Der Regler kann beispielsweise ein Mikroprozessorsystem, einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), eine programmierte Gate-Anordnung, einen RISC-Computer (RISC = reduced instruction set computer = Computer mit eingeschränktem Befehlsvorrat) oder andere bekannte Schaltkreise aufweisen, die diese Funktionen erfüllen können. Die im Regler ausgeführten Schritte zum Erfüllen der Aufgaben des Reglers können Neuronennetze, Fuzzy-Logik, Wavelets, Autoregression, rekursives Filtern, adaptives Selbstabgleichen, jeden anderen bekannten Algorithmus für die Signalverarbeitung und Steuerfunktionen, sowie jede beliebige Kombination dieser Schritte aufweisen. Der Regler kann das Drucksensor-Ausgangssignal verarbeiten, indem er bekannte digitale Signalverarbeitungsverfahren im Zeit- oder Frequenzbereich einschließlich der Z-Transformations- und der schnellen Fourier Transformations(FFT)-Verfahren, einer Wavelet-Analyse und der diskreten Wavelet-Transformation (DWT) verwendet, wie es in Wavelet Analysis of Vibration, Teil 2: Wavelet Maps, D. E. Newland, JOURNAL OF VIBRATION AND ACOUSTICS, Oktober 1994, Band 116, Seite 417 beschrieben ist. Es können auch andere bekannte Verfahren verwendet werden.
Die Wavelet-Analyse ist ein Verfahren zur Umwandlung eines Zeitbereich-Signals in ein Frequenzbereich-Signal, welche wie eine Fourier-Transformation zulässt, dass Frequenzkomponenten identifiziert werden. Anders als die Fourier-Transformation jedoch beinhaltet das Ausgangssignal in einer Wavelet-Transformation Informationen, die mit der Zeit in Zusammenhang stehen. Dies kann in Form eines dreidimensionalen Schaubilds ausgedrückt werden, bei dem die Zeit auf einer Achse, die Frequenz auf einer zweiten Achse und die Signalamplitude auf einer dritten Achse dargestellt sind. Eine Erörterung der Wavelet-Analyse wird in On-Line Tool Condition Monitoring System With Wavelet Fuzzy Neural Network, von L. Xiaoli et al, 8 JOURNAL OF INTELLIGENT MANUFACTURING Seiten 271–276 (1997) gegeben. Bei der Durchführung einer kontinuierlichen Wavelet-Transformation wird ein Abschnitt des Sensorsignals gefenstert und mit einer Wavelet-Funktion gefaltet. Diese Faltung wird durch Überlagerung der Wavelet-Funktion am Anfang eines Abtastwerts, Multiplikation der Wavelet-Funktion mit dem Signal und anschließende Integration des Ergebnisses während der Abtastperiode durchgeführt. Das Ergebnis der Integration wird skaliert und liefert den ersten Wert für die kontinuierliche Wavelet-Transformierte zum Zeitpunkt null. Dieser Punkt kann dann auf einer dreidimensionalen Ebene eingezeichnet werden. Die Wavelet-Funktion wird dann nach rechts verschoben (in der Zeit nach vorne) und die Multiplikations- und Integrationsschritte werden zum Erhalt eines weiteren Satzes von Datenpunkten, welche auf dem 3-D-Raum verzeichnet werden, wiederholt. Dieser Vorgang wird wiederholt, und die Wavelet-Funktion wird durch das gesamte Signal bewegt (gefaltet). Die Wavelet- Funktion wird dann skaliert, wodurch die Frequenzauflösung der Transformation verändert wird, und die vorstehend genannten Schritte werden wiederholt.
Die vorstehend beschriebene kontinuierliche Wavelet-Transformation erfordert umfangreiche Berechnungen. Daher führt der Regler in einer Ausführungsform eine diskrete Wavelet-Transformation (DWT) durch, die für die Realisierung in einem Mikroprozessorsystem gut geeignet ist. Eine effiziente diskrete Wavelet-Transformation verwendet den Mallat-Algorithmus, bei welchem es sich um einen Zweikanal-Subband-Codierer handelt. Der Mallat-Algorithmus liefert eine Serie von geteilten oder zerlegten Signalen, die individuelle Frequenzkomponenten des ursprünglichen Signals darstellen. In einem Beispiel für ein derartiges System wird ein ursprüngliches Sensorsignal S durch Verwendung eines Subband-Codierers eines Mallat-Algorithmus zerlegt. Das Signal S weist einen Frequenzbereich von 0 bis maximal f_MAX auf. Das Signal wird gleichzeitig durch ein erstes Hochpassfilter mit einem Frequenzbereich von 1/2 f_MAX bis f_MAX und durch ein Niedrigpassfilter mit einem Frequenzbereich von 0 bis 1/2 f_MAX geleitet. Dieser Prozess wird als Zerlegung bezeichnet. Das Ausgangssignal aus dem Hochpassfilter liefert diskrete Wavelet-Transformations-Koeffizienten auf dem "Pegel 1". Die Pegel 1-Koeffizienten stellen die Amplitude als Funktion der Zeit von dem Abschnitt des Eingangssignals dar, der zwischen 1/2 f_MAX und f_MAX liegt. Das Ausgangssignal aus dem Niedrigpassfilter von 0 bis 1/2 f_MAX wird beliebig durch je ein nachfolgendes Hochpassfilter (1/4 f_MAX bis 1/2 f_MAX) und das Niedrigpassfilter (0 bis 1/4 f_MAX) geleitet, um zusätzliche Pegel (über den "Pegel 1" hinaus) der diskreten Wavelet-Transformations-Koeffizienten zu liefern. Die Ausgangssignale aus jedem Niedrigpassfilter können einer weiteren Zerlegung unterzogen werden, wodurch je nach Wunsch zusätzliche Pegel von diskreten Wavelet-Transformations-Koeffizienten geboten werden. Dieser Prozess wird weitergeführt, bis die gewünschte Auflösung erreicht ist, oder die Anzahl der verbleibenden Da tenabtastungen nach einer Zerlegung keine zusätzlichen Informationen mehr erzielt. Die Auflösung der Wavelet-Transformation wird so gewählt, dass sie in etwa identisch mit den Signal-Spitzen ist. Jeder Pegel der DWT-Koeffizienten stellt eine Signalamplitude als Funktion der Zeit für einen vorgegebenen Frequenzbereich dar. In verschiedenen Ausführungen korreliert der eine Pegel des DWT-Koeffizienten mit den Überdrücken im Sensorsignal.
In einigen Ausführungsformen wird das Signal aufgefüllt, indem Daten zum Sensorsignal in der Nähe der Ränder der in der Wavelet-Analyse verwendeten Fenster hinzugefügt werden. Diese Auffüllung verringert Verzerrungen in dem Frequenzbereich-Ausgangssignal. Dieses Verfahren kann bei einer kontinuierlichen Wavelet-Transformation oder einer diskreten Wavelet-Transformation verwendet werden. "Auffüllen" ist als Anhängen zusätzlicher Daten auf beiden Seiten des augenblicklich aktiven Datenfensters definiert, beispielsweise werden zusätzliche Datenpunkte hinzugefügt, die sich über 25% des augenblicklichen Fensters über jede Fensterkante hinaus erstrecken. In einer Ausführungsform wird die Auffüllung durch Wiederholen eines Abschnitts der Daten in dem augenblicklichen Fenster erzeugt, so dass die hinzugefügten Daten das bestehende Signal auf jeder Seite "auffüllen". Der gesamte Datensatz genügt dann einer quadratischen Gleichung, die zur Hochrechnung oder Extrapolation des Signals 25% über das aktive Datenfenster hinaus verwendet wird.
Eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) oder andere Signalverarbeitungs- oder Filterverfahren können zur Identifizierung von Druckspitzen oder Überdrücken im Sensorsignal verwendet werden, einschließlich einer Regel, bei der es sich um einen einfachen Schwellenvergleich oder einen Vergleich des Signals mit einem statistischen Parameter, wie z.B. Durchschnitts- oder Standardabweichungen, handelt. Das System kann auch so ausgeführt sein, dass es ein Neuronennetz (nachfolgend erör tert) verwendet und mit dem tatsächlichen Sensor-Ausgangssignal verglichen wird. Das restliche Signal kann zur Erfassung von Überdrücken im Sensorsignal eingesetzt werden.
Eine Druckspitze kann auch unter Verwendung einer Regel, eines statistischen Werts, eines gelernten Werts und eines Empfindlichkeitsparameters erfasst werden. Ein Druckspitzenereignis tritt dann auf, wenn das Signal vorübergehend einen extremen Wert annimmt. Eine Empfindlichkeit gegenüber Druckspitzen im Sensorsignal wird durch Angleichen eines Empfindlichkeitsparameters von δ geregelt, der im Speicher 80 gespeichert ist. δ ist die zulässige gelernte maximale Veränderungsrate (ΔP_MAX) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Datenpunkten. Beispielsweise sollte zur Erfassung jeglicher Druckspitzen, die eine Veränderungsrate (VR) vom Block 84 aufweisen, die um 30% größer ist als Δ_MAX von Block 78 relativ zu dem gelernten Wert, δ von 80 auf 1,30 eingestellt werden. Eine Beispielsregel lautet folgendermaßen:
falls VR > δ · Δr_MAX, dann wird ein Druckspitzenereignis erfasst.
Der Begriff "Speicher", wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, bedeutet jeden beliebigen Schaltkreis oder jede beliebige Kombination von Schaltkreisen, die Informationen für die Abfrage speichern können, einschließlich eines RAM, ROM, EEPROM, eines flüchtigen oder nichtflüchtigen Speichers, Schieberegister, Zwischenspeicher oder jede andere beliebige Vorrichtung, die in der Lage ist, Informationen zu speichern, und kompatibel mit den Abruf- oder Speicherfunktionen des zur Verwendung mit dem Speicher ausgewählten Reglers ist.
In 3 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Druckmessumformers 70 gezeigt. Ein Drucksensor 72 ist so ausgelegt, dass er einen Prozessdruck 74 misst. Ein Regler 76 ist mit dem Drucksensor 72 gekoppelt und erzeugt ein Messumformer- Ausgangssignal 78, das die Größe des Prozessdrucks wiedergibt. Das Messumformer-Ausgangssignal 78 kann jede beliebige bekannte Form von Prozessregelungs-Ausgangssignal aufweisen, beispielsweise einen eigensicheren 4–20 mA Analogstrom, der die gesamte elektrische Erregung für den Messumformer mit digitalen HART- oder Feldbussignalen, die auf dem analogen Strom überlagert werden, liefert. Ein mit dem Regler 76 gekoppelter Speicher 80 speichert vorbestimmte Daten 82, welche die Größen des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Sensor-Ausgangssignalpegel bei 84 vorhersagen. Der Speicher 80 speichert zudem ein Protokoll 86 von kumulativen übermäßig hohen Sensor-Ausgangssignalpegeln. Für gewöhnlich wird das Protokoll 86 im Lese-/Schreibspeicher aufsummiert, welcher ein nichtflüchtiger Speicher, wie z.B. ein EEPROM, ist, während die vorbestimmten Daten im Nurlesespeicher (ROM) gespeichert werden. Der Regler 76 berechnet eine vorhergesagte vorhandene Größe des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des aufsummierten Protokolls 86 und der vorbestimmten Daten 82, und erzeugt ein Vorhersage-Ausgangssignal 88. Das Protokoll 86 stellt typischerweise physikalische Veränderungen am Sensor dar, die aus einem Überdruck resultieren. Das Protokoll kann Daten über die Amplitude und Dauer der Überdrücke einschließen, die im Sensor-Ausgangssignal angezeigt sind. Die Pegel derjenigen Amplitude und Dauer eines "Überdrucks", welche eine Veränderung der Kalibrierung verursachen, ist eine Funktion der Konstruktion des Sensors 72, und kann entweder experimentell durch Prüfen vergleichbarer Sensoren im Labor oder durch Computer-Modellierungsverfahren, wie z.B. eine finite Elementanalyse und Kräfteermittlung, bestimmt werden. Die eine Fehlergröße vorhersagenden vorbestimmten Daten 82 können ebenfalls experimentell oder durch Computermodellierung bestimmt werden und weisen für gewöhnlich die Form entweder einer Gleichung oder Funktion "F(Überdruck)" oder einer Tabelle auf, die den vorhergesagten Fehler mit Überdruckpegeln in Relation setzt. Das Vorhersage-Ausgangssignal 88 stellt für gewöhnlich eine vorhergesagte Ka librierungsveränderung dar, wie z.B. Ober- und Untergrenzen des Fehlers.
Das Vorhersage-Ausgangssignal 88 kann vom vorliegenden Prozessdruck unabhängig sein, oder es kann eine Funktion des vorliegenden Prozessdrucks sein. Das Vorhersage-Ausgangssignal 88 kann zudem sowohl einen Sensor-Offsetfehler (vom vorliegenden Prozessdruck unabhängig) als auch einen Sensor-Verstärkungsfehler (zum vorliegenden Prozessdruck proportional) aufweisen.
Die vorbestimmten Daten, welche die Größe des Fehlers vorhersagen, und das Protokoll der kumulativen übermäßig hohen Sensor-Ausgangssignale sind Daten, die verglichen werden können, indem bekannte digitale Verfahren zur Verarbeitung großer Mengen an Daten oder Statistiken, wie beispielsweise Neuronennetze, Fuzzy-Logik, Wavelet-Analyse, Autoregressions-Analyse, rekursives Filtern, adaptives Selbstabgleichen, jeder andere bekannte Algorithmus für die Signalverarbeitung und Regelfunktionen sowie Kombinationen dieser Schritte, verwendet werden.
In 4 ist ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform eines Druckmessumformers 90 gezeigt, bei dem die selben Bezugszeichen wie in 3 verwendet sind, um identische oder ähnliche Bauelemente in 4 anzuzeigen. In 4 weist der Messumformer 90 weiter einen Temperatursensor 92 auf, welcher mit dem Regler gekoppelt ist, und die vorbestimmten Daten 82 sagen die Größen des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Temperaturpegel voraus, wobei sie auch eine Funktion von übermäßig hohen Druckpegeln sind. In 4 weist der Druckmessumformer 90 weiter einen mit dem Regler gekoppelten Feuchtigkeitssensor 94 auf, und die vorhergesagte Größe des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals kann weiter eine Funktion der Feuchtigkeit sein.
In 4 ist das Protokoll 86 eine Funktion der Größen und Dauern übermäßig hoher Sensor-Ausgangspegel sowie der Tempe ratur- und Feuchtigkeitspegel.
Der Speicher 80 kann weiter vorbestimmte Daten 82 speichern, die die verbleibende Nutzlebensdauer des Drucksensors vorhersagen.
In 5 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Druckmessumformers 100 gezeigt. Im Messumformer 100 weist ein Mikroprozessorsystem 102 eine Zentraleinheit (CPU) 104 auf, die mit einer Taktquelle 106 verbunden ist. Die CPU 104 besitzt einen Adressen- und Steuerbus 108, über welchen sie an einen Analog-Digital-Wandler 110, einen Nurlesespeicher (ROM) 112, einen EEPROM 114, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 116, und einen Kommunikationsschaltkreis 118 angeschlossen ist. Der Messumformer 100 ist in 2 Module 120, 122 entlang der Linie 124 geteilt. Die Teilung in Module erlaubt eine Austauschbarkeit. Das Modul 120 weist einen Differenzdrucksensor 126 auf, der ein Drucksensor-Ausgangssignal 128 liefert, einen Temperatursensor 130, einen Feuchtigkeitssensor 132, und einen kleinen Speicher 134, der den Drucksensor 126, den Temperatursensor 130 und den Feuchtigkeitssensor 132 kennzeichnende Daten speichert. Der Speicher 134 koppelt an den Bus 108. Das Drucksensor-Ausgangssignal 128, der Temperatursensor 130 und der Feuchtigkeitssensor 132 koppeln an den Analog-Digital-Wandler 110, bei dem es sich um einen Multiplexwandler handelt. Der ROM-Speicher 112 speichert vorbestimmte Daten, die die Größe des Fehlers als Funktion der kumulativen Ausgangspegel aus den Sensoren 126, 130 und 132 vorhersagen. Der EEPROM 114 speichert ein Protokoll kumulativer übermäßig hoher Sensor-Ausgangssignalpegel aus den Sensoren 126, 130 und 132. Das Mikroprozessorsystem liefert sowohl Regler als auch Speicher für den Messumformer. Im ROM-Speicher 112 sind Programme für den Vergleich der vorbestimmten Daten, die die Fehlergröße anzeigen, mit dem Protokoll der kumulativen übermäßig hohen Sensor-Ausgangssignalpegel gespeichert. Diese Programme können Neuronennetze, Fuzzy-Logik, Wavelet-Analyse, Autoregressions- Analyse, rekursives Filtern, adaptives Selbstabgleichen, jeden beliebigen anderen bekannten Algorithmus für die Signalverarbeitung und Regelfunktionen, sowie jede beliebige Kombination dieser Verfahren aufweisen. Der Kommunikationsschaltkreis 118 liefert das Messumformer-Ausgangssignal 134 sowie ein Vorhersage-Ausgangssignal 136 wie vorstehend in Verbindung mit den 3 und 4 beschrieben. Ein Energieversorgungsschaltkreis empfängt Energie von einem mit dem Messumformer-Ausgangssignal 134 verbundenen Schaltkreis und liefert Erregungen für den Messumformer 100. Für gewöhnlich ist der Messumformer mit einer den Messumformer erregenden Zweidrahtschleife verbunden. Die Zweidrahtschleife kann auch dazu verwendet werden, sowohl das Messumformer-Ausgangssignal 134 als auch das Vorhersage-Ausgangssignal 136 als HART- oder Feldbussignale zu führen, die auf dem Erregungsstrom in der Zweidrahtschleife überlagert sind.
In 6 ist ein Verfahren zur vorhersage eine Messumformer-Fehlers bei 150 gezeigt. Der Vorhersageprozess startet bei START 152 und fährt fort, die vorliegende Größe des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals in einem Druckmessumformer, der einen aufgebrachten Prozessdruck aufnimmt und einen eingebauten Regler aufweist, vorherzusagen. Bei 154 greift der Regler auf einen gemessenen Prozessdruck von einem Drucksensor zu. Bei 156 erzeugt der Regler ein Messumformer-Ausgangssignal mit einer den Prozessdruck darstellenden Größe. Bei 158 greift der Regler auf in einem Speicher gespeicherte vorbestimmte Daten zu, welche die Größe des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke vorhersagen. Bei 160 speichert der Regler ein Protokoll kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke im Speicher. Bei 162 erzeugt der Regler ein Vorhersage-Ausgangssignal in dem Regler, das eine augenblickliche Größe des Fehlers des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des gespeicherten Protokolls und der aufgerufenen Daten vorhersagt. Bei 164 geht der Prozess zum Anfang zurück, um den Prozess zu wiederholen.
Der in 6 gezeigte Prozess kann in Form von Befehlen auf einem computerlesbaren Medium gespeichert und von einem eingebauten Regler in einem Druckmessumformer ausgeführt werden, um den Druckmessumformer zu veranlassen, ein Vorhersage-Ausgangssignal zu erzeugen, das den durch einen übermäßigen Prozessdruck verursachten Messumformer-Fehler vorhersagt, die Befehle.
In 7 zeigt ein Schaubild beispielhaft Werte für verschiedene Größen eines Messumformer-Fehlers als Funktion der Zeit. Der Messumformer weist einen spezifizierten Fehler-Nennbereich im Messumformer-Ausgangssignal auf, das zwischen den Linien 180 und 182 gezeigt ist. Der tatsächlich vorliegende Fehler des Ausgangssignals des Messumformers verändert sich im Laufe der Zeit aufgrund der bei 186 gezeigten Überdrücke. Der tatsächliche bei 186 gezeigte Fehler ist dem Wartungspersonal während der Standzeit des Messumformers nicht bekannt, es sei denn, er wird außer Betrieb genommen und seine Kalibrierung überprüft. Das bei 184 gezeigte Vorhersage-Ausgangssignal steht dem Wartungspersonal zur Verfügung und sagt die positiven und negativen Fehlergrenzen basierend auf den im Regler durchgeführten Berechnungen voraus. Als Ergebnis wird das Wartungspersonal gewarnt, wenn eine Neukalibrierung des Messumformers erforderlich sein könnte. Nach der Durchführung der Neukalibrierung durch das Wartungspersonal kann das Protokoll der kumulativen übermäßig hohen Sensor-Ausgangssignalpegel auf Null rückgesetzt werden, und der Messumformer kann wieder in Betrieb genommen werden.
Der Regler führt unter Verwendung der erfassten Druckspitzen eine Fehlerdiagnose aus, die mit dem Betrieb des Drucksensors 72 in Zusammenhang steht. Zeitlicher Ablauf, Amplitude, Breite, Wellenform oder andere Parameter der Druckspitzen können für die Fehlerdiagnose verwendet werden. Das Ausgangssignal der Fehlerdiagnose kann zur Korrektur des gemessenen Drucks und zur Lieferung einer Anzeige des Zustands oder der erwar teten Lebensdauer des Sensors verwendet werden. Dies ermöglicht einen Austausch des Sensors vor dessen endgültigem Versagen. In der Zwischenzeit kann jedoch vor dem Austausch des Sensors das Sensor-Ausgangssignal so kompensiert werden, dass genauere Messungen erhalten werden können.
Nachfolgend wird eine Reihe von Ausführungsformen zur Realisierung der Fehlerdiagnose-Schaltkreisanordnung im Regler 76 beschrieben. Eine Schätzung der verbleibenden Lebensdauer kann ein bevorstehendes Versagen des Sensors darstellen. In einer Ausführungsform zeigt ein Gesundheitszustands-Ausgangssignal die verbleibende Lebensdauer des Sensors an, so dass ein Austausch des Sensors zeitlich richtig gesteuert werden kann. Es kann auch ein Warnsignal an das Regelsystem 32 gesendet werden, bevor ein Sensorversagen auftritt.
A. POLYNOMISCHE KURVENERMITTLUNG
Ein erfindungsgemäßer Regler 76 in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet empirische Modelle oder polynomische Kurvenermittlung. Eine Gleichung ähnlich einem Polynom, die eine Kombination der sechs Sekundärsignale als die variablen Terme in dem Polynom aufweist, wird zusammen mit im Speicher 80 gespeicherten Konstanten zur Berechnung des Schätzwerts der verbleibenden Lebensdauer verwendet. Falls der Messumformer-Speicher begrenzt ist, können die Konstanten und/oder die Gleichung über die Zweidrahtschleife an den Messumformer 70 gesendet werden.
B. NEURONENNETZE
Ein Fehlerdiagnose-Schaltkreis ist in einem Mehrschichten-Neuronennetz realisiert. Es kann jedoch eine Reihe von Lernalgorithmen zur Entwicklung eines Neuronennetzmodells für unter schiedliche Zwecke verwendet werden. Eine Ausführungsform schließt das bekannte Backpropagation Network (BPN) (Rückübertragungsnetz) zur Entwicklung von Modulen eines Neuronennetzes ein, das die nichtlineare Beziehung zwischen einer Gruppe von Eingangs- und Ausgangssignal erfasst. 8 zeigt eine typische Topologie einer Dreischicht-Neuronennetzarchitektur, die im Regler 76 und im Speicher 80 realisiert ist. Die erste Schicht, die für gewöhnlich als Eingangspuffer bezeichnet wird, empfängt Informationen und leitet diese in die inneren Schichten. Die zweite Schicht in einen Dreischichtnetz, die für gewöhnlich als verdeckte Schicht bekannt ist, empfängt die Informationen von der Eingangsschicht, welche durch die Gewichtungen der Verbindungen modifiziert ist, und verbreitet diese Informationen weiter. Dies ist in der verdeckten Schicht dargestellt, die zur Charakterisierung der nichtlinearen Eigenschaften des analysierten Systems verwendet wird. Die letzte Schicht ist die Ausgangsschicht, in der die berechneten Ausgangssignale (Schätzwerte) der Umgebung dargelegt werden.
9A zeigt ein Schema für eine Schätzung der verbleibenden Lebensdauer von Drucksensoren mit Hilfe eines Neuronennetzmodells. Mit Druckspitzen in Zusammenhang stehende Daten sind als Eingangssignal in das Neuronennetz bereitgestellt. Eine Schätzung der verbleibenden Lebensdauer oder ein Kompensationswert wird als Ausgangssignal aus dem Neuronennetz geliefert. Das spezifische Druckspitzen-Dateneingangssignal in das Neuronennetz kann eine Reihe von Druckspitzen, ihre Größe, die Amplitude, Breite, Formen, Frequenz, mit den Druckspitzen in Zusammenhang stehende statistische Werte, wie z.B. Mittel, Durchschnitt, Veränderungsrate, usw. oder Vergleiche oder Funktionen einer Vielzahl von Druckspitzen sein. Eine Reihe von Eingangssignalen in das Neuronennetz kann sich abhängig von der Komplexität des Systems unterscheiden, und es kann jedes beliebige oder eine Kombination der Vielzahl von Eingangssignalen verwendet werden. Temperatur oder Feuchtigkeit können ebenfalls als Eingangssignale verwendet werden. 9B ist ein Schaubild, das die verbleibende Lebensdauer des Drucksensors im Verhältnis zur Zeit zeigt. Dieses kann aus dem Sensor-Ausgangssignal erzeugt werden, indem das Ausgangssignal aus dem Neuronennetz von 9A verwendet wird. An einem ersten Schwellenpegel kann vor dem endgültigen Versagen des Sensors ein Warnsignal bereitgestellt werden. Die Warnsignale können relativ zu der geschätzten Zeit des endgültigen Sensorversagens kalibriert werden.
C. SCHWELLEN-SCHALTKREISANORDNUNG
Diese Ausführungsform einer in dem Regler 76 realisierten Fehlerdiagnose-Schaltkreisanordnung verwendet eine Gruppe von Falls-Dann-Regeln, um zu einer Schlussfolgerung über den Zustand des Drucksensors 72 zu kommen. Dies Regeln können sowohl in einer digitalen als auch einer analogen Schaltkreisanordnung realisiert werden. Die zuvor beschriebenen Druckspitzendaten werden überwacht, und vorliegende Werte werden mit oberen und unteren Grenzwerten verglichen. Die oberen und unteren Grenzwerte sind durch umfangreiches Testen des Drucksensors 72 empirisch festgelegt. Eine Entscheidung erfolgt auf der Basis des Vergleichs.
In einer digitalen Ausführungsform dieser Art von Fehlerdiagnose-Schaltkreisanordnung werden die Druckspitzendaten von einem Mikroprozessor überwacht und mit zulässigen Bereichen verglichen.
Nachfolgend ist eine Muster-Falls-Dann-Regel für Druckspitzen im Sensorausgangssignal 84 aus dem Drucksensor 72 dargestellt:
Falls die Anzahl der erfassten Druckspitzen seit der Inbetriebnahme multipliziert mit einem Wert im Speicher 80 größer ist als ein oberer Schwellenwert, dann ist der Schätzwert der verbleibenden Lebensdauer des Drucksensors 72 n Tage.
Dies ist natürlich eine einfache Darstellung einer Regel, und es können komplexere Regeln in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden. Regeln können gegenseitig abhängig implementiert werden und können als Eingangssignale arbeiten, oder sie können Ausgangssignale aus einem Neuronennetz empfangen und andere mit dem Sensor-Ausgangssignal, Temperatur oder Feuchtigkeitsinformationen in Zusammenhang stehende Daten verwenden.
D. QUALITATIVAUSSAGEN- ODER FUZZY-LOGIK
Die Druckspitzendaten können auch unter Verwendung von Fuzzy-Logik-Verfahren verarbeitet werden. Bei der Verwendung von Fuzzy-Logik werden Eingangsdaten als Funktion einer Mitgliedschaftsfunktion verarbeitet, die basierend auf einem Wert der Eingangsdaten ausgewählt wird. Derartige Fuzzy-Logik-Verfahren sind gut für Sensoren geeignet, die auf nichtlineare oder nichtbinäre Art und Weise versagen. Die Druckspitzendaten, wie beispielsweise die Gesamtanzahl von Druckspitzen, können als Eingangssignal für die Fuzzy-Logik bereitgestellt sein, welche ein kontinuierliches Ausgangssignal liefern kann, das die erwartete Lebensdauer oder einen Korrekturwert anzeigt, der zur Korrektur des Ausgangssignals aus dem Drucksensor 72 verwendet wird. In einem weiteren Aspekt der Erfindung schätzt der Messumformer die gemessene Prozessvariable während des Auftretens einer Druckspitze/eines Überdrucks oder sagt diese voraus. Der Schätzwert kann mit Hilfe stochastischer Kurvenermittlung, linearer Approximation, eines Neuronennetzes, Fuzzy-Logik, Kurvenermittlung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate, polynomischer Approximation, eines Regressions-Algorithmus, usw. oder deren Kombinationen erzeugt werden. Die geschätzte Prozessvariable wird als Ausgangssignal geliefert oder wird für die Berechnung anderer Prozessvariablen, wie z.B. Durchfluss oder Pegel, verwendet.
Im Allgemeinen schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung von Kalibrierungsveränderungen eines Drucksensors in einem Druckmessumformer durch Zählen und Überwachen von zyklischen und kontinuierlichen Überdruck-Beaufschlagungen des Sensors. Diese Kalibrierungsveränderungen können mehrere Faktoren als Ursache haben, einschließlich kontinuierlicher Belastung oder periodischer Belastung, Temperatur und Feuchtigkeit. Alle oder einige dieser Faktoren können aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Sensor-Werkstoffs mit der Kalibrierung des Sensors und mit der Lebensdauer des Sensors in Wechselbeziehung gebracht werden, indem die zuvor erwähnten Verfahren verwendet werden. 10 ist ein Schaubild, das die Amplitude des Ausgangssignals aus einem Drucksensor im Verhältnis zur Zeit zeigt. Wie in 10 dargestellt, gibt es für das Sensor-Ausgangssignal ein normales Band oder einen Betriebsbereich. Gelegentlich auftretende Druckspitzen neigen dazu, das Drucksensor-Ausgangssignal erheblich zu übersteigen. 11 ist ein Schaubild des Gesamtbelastungsbereichs und -prozentsatzes im Verhältnis zu Zyklen bis zum Versagen für Edelstahl. Die unterschiedlichen Schaubilder in der Figur gelten für unterschiedliche Haltezeiten der Belastung. Wie in 11 dargestellt nimmt die Anzahl von Zyklen bis zum Versagen mit zunehmender Belastung und mit zunehmender Zugbelastungs-Haltezeit ab (d.h. die Lebensdauer des Sensors verringert sich). Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Erkennung der Beziehung für die Anzahl von Zyklen (N) bis zu einem Ausfall oder Versagen, die folgendermaßen ausgedrückt wird: N – f(t,P,T,h) Gleichung 1wobei t die Länge der Druckspitze, P der Druck während der Spitze, T die Temperatur des Mediums und h die Feuchtigkeit des Mediums ist.
Die funktionale Beziehung und die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen kann durch die Materialeigenschaften oder durch fortgeschrittenere Lernverfahren wie dargelegt bestimmt werden. Mit dieser Information kann ein erfindungsgemäßer Messumformer den Druck, den der Sensor erfährt, kontinuierlich überwachen, um die Anzahl von Perioden von Überdruck bewerten, denen der Drucksensor bereits ausgesetzt war. Diese Anzahl kann dann mit Hilfe von Fehlerdiganose-Verfahren mit der theoretischen Versagensgrenze des Sensorwerkstoffs verglichen werden, und es kann zu einem Zeitpunkt vor dem Versagen eine Warnung herausgegeben werden. Der Messumformer kann den Spitzendruck und die Spitzenbreite überwachen und diese Daten im Speicher speichern, Während eines Überdrucks kann der Spitzendruck bewertet werden, indem eine Kurvenermittlung zweiter Ordnung eingesetzt wird und Verfahren zur Erfassung des Spitzenwertes verwendet werden. Diese Daten können zur Korrektur von Fehlern im Sensor-Ausgangssignal verwendet werden. Schließlich kommt es zu einem Versagen des Sensors, und es kann vor dem endgültigen Versagen eine Warnung bereitgestellt werden. Wie hierbei beschrieben sind Regressionsmodule, Fuzzy-Logik-Systeme und Neuronennetzmodelle einige der Verfahren, mit deren Hilfe die verbleibende Lebensdauer des Sensors geschätzt werden kann. Das Ausgangssignal kann in Form der erwarteten Lebensdauer im Verhältnis zur Zeit vorliegen, wie es in 12 dargestellt ist. Ein Schwellenwert kann verwendet werden, um ein Ausgangssignal vor dem endgültigen Ausfall des Sensors zu liefern.
Im Gegensatz zu typischen Verfahren des Standes der Technik verwendet die vorliegende Erfindung die Beziehung zwischen der Anzahl von Überdrücken, denen der Sensor ausgesetzt war, zur Bestimmung der Kalibrierungsveränderung und der Druckmessung und der Lebensdauer des Sensors. Herkömmliche Verfahren des Standes der Technik erkannten lediglich das Auftreten von Überdruck, und nicht eine Korrelation mit der Anzahl von Überdrücken. Weiter war der Stand der Technik für gewöhnlich nicht in der Lage, eine Warnung vor dem endgültigen Versagen des Sensors bereitzustellen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute in der Technik erkennen, dass Veränderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Im Allgemeinen verwendet die Erfindung mit einem Druck- oder Temperatur-Spitzenwert in Zusammenhang stehende Daten und/oder Feuchtigkeitsdaten, um eine Fehlerdiagnose an einem Drucksensor durchzuführen.

Claims

Druckmessumformer, welcher Folgendes aufweist: einen Drucksensor (72; 126), der so ausgelegt ist, dass er einen Prozessdruck misst; einen Regler (76), der mit dem Drucksensor (72; 126) verbunden ist und so ausgelegt ist, dass er ein den Prozessdruck wiedergebendes Messumformer-Ausgangssignal (78; 134) erzeugt; einen Speicher (80), der vorbestimmte Daten (82; 112) speichert, welche die Fehlergröße eines Messumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Sensorausgangspegel vorhersagt, und ein Protokoll (86; 114) der kumulativen übermäßig hohen Sensorausgangspegel speichert; und wobei der Regler (76) so ausgelegt ist, dass er eine vorhergesagte vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des aufsummierten Protokolls und der vorhergesagten Daten berechnet, und dass er ein Vorhersage-Ausgangssignal (88; 136) erzeugt.
Druckmessumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Protokoll (86; 114) die physikalischen Veränderungen des Sensors (72; 126), welche sich aus Überdruck ergeben, darstellt.
Druckmessumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhersage-Ausgangssignal (88; 136) i) eine Kalibrierungsverschiebung darstellt, und/oder ii) unabhängig ist oder eine Funktion des vorliegenden Prozessdrucks ist, und sowohl (a) einen Sensor-Offsetfehler, der vom vorliegenden Prozessdruck unabhängig ist, als auch (b) einen Sensor-Verstärkungsfehler, der zum vorliegenden Prozessdruck proportional ist, aufweist.
Druckmessumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Daten (82; 112) auf einem Computermodell oder Experimentversuchen mit Schäden an einem vergleichbaren Sensor aufgrund von Überdruck basieren.
Druckmessumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher weiter einen mit dem Regler (76) verbundenen Temperatursensor (92) aufweist, wobei die vorbestimmten Daten (82; 112) die Fehlergrößen des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion von kumulativen übermäßig hohen Temperaturpegeln vorhersagen, und wobei die vorhergesagte Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals weiter eine Funktion der kumulativen übermäßig hohen Temperaturpegel ist.
Druckmessumformer nach Anspruch 5, welcher ferner einen mit dem Regler (76) verbundenen Feuchtigkeits-Sensor (94) aufweist, wobei die vorhergesagte Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals weiter eine Funktion der Feuchtigkeit ist.
Druckmessumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Protokoll (86; 114) eine Funktion der Größe und Dauer von übermäßig hohen Sensorausgangspegeln ist.
Druckmessumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (76) weiter vorbestimmte Daten, welche die verbleibende Nutzlebensdauer des Drucksensors (72; 126) vorhersagen, im Speicher speichert.
Druckmessumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die vorhergesagte vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals unter Verwendung neuronaler Netzwerke berechnet wird, oder indem der Regler Qualitativaussagenlogik oder Fuzzy-Logik, Wavelet-Analyse, Autoregression, rekursive Filterverfahren und/oder eigene adaptive Durchstimmverfahren einsetzt.
Druck-Messumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messumformer-Ausgangssignal (78; 134) als Funktion des Vorhersage-Ausgangssignals (88; 136) korrigiert wird.
Druck-Messumformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messumformer-Ausgangssignal (78; 134) eine geschätzte Prozessvariable beim Auftreten eines überschrittenen Sensor-Ausgangssignals aufweist.
Druck-Messumformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessvariable mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks, einer stochastischen Kurvenermittlung, und/oder eines Regressions-Algorithmus geschätzt wird.
Verfahren zur Vorhersage der vorliegenden Fehlergröße eines Messumformer-Ausgangssignals in einem Druck-Messumformer, der einen angelegten Prozessdruck empfängt und einen eingebauten Regler (76) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Zugreifen (154) auf den gemessenen Prozessdruck von einem Drucksensor (72; 126); das Erzeugen (156) eines Messumformer-Ausgangssignals (78; 134) mit einer Größe, welche den Prozessdruck wiedergibt; das Zugreifen (158) auf in einem Speicher (80) gespeicherte vorbestimmte Daten (82; 112), wobei die Daten (82; 112) Fehlergrößen eines Messsumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke vorhersagen; das Speichern (160) eines Protokolls (86; 114) kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke im Speicher (80); und das Erzeugen (162) eines Vorhersage-Ausgangssignals (88; 136) im Regler (76), welches eine vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des gespeicherten Protokolls (86; 114) und der zugegriffenen Daten (82; 112) vorhersagt.
Verfahren nach Anspruch 13, welches den Schritt der Korrektur des Messumformer-Ausgangssignals (78; 134) als Funktion des Vorhersage-Ausgangssignals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung (162) eines Vorhersage-Ausgangssignals das Anwenden einer Qualitativaussagenlogik oder Fuzzy-Logik beim gemessenen Prozessdruck, das Anlegen des gemessenen Prozessdrucks an ein neuronales Netzwerk, und/oder das Anwenden des gemessenen Prozessdrucks bei einer Formel einschließt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Formel einen Vergleich mit einem Schwellenwert aufweist, sobald die Erzeugung eines Vorhersage-Ausgangssignals die Anwendung des gemessenen Prozessdrucks bei einer Formel einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhersage-Ausgangssignal (88, 136) mit der erwarteten Lebensdauer des Drucksensors (72; 126) in Zusammenhang steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 15 bis 17, welches den Schritt des Schätzens des Prozessdrucks während des Auftretens eines übermäßig hohen Prozessdrucks aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessdruck mit Hilfe eines neuronalen Netzwerks, einer Qualitativaussagenlogik oder Fuzzy-Logik, einer stochastischen Kurvenermittlung und/oder eines Regressionsalgorithmus geschätzt wird.
Computerlesbares Medium mit darauf gespeicherten Befehlen, welche von einem eingebauten Regler (76) in einem Druckmessumformer ausführbar sind, um die Erzeugung eines Vorhersage-Ausgangssignals (88; 136) durch den Druckmessumformer zu bewirken, welches den durch den übermäßig hohen Prozessdruck verursachten Messumformerfehler vorhersagt, wobei die Befehle folgende Befehle umfassen: Zugreifen (154) auf den gemessenen Prozessdruck von einem Drucksensor; Erzeugen (156) eines Messumformer-Ausgangssignals (78; 134) mit einer Größe, welche den Prozessdruck wiedergibt; Zugreifen (158) auf in einem Speicher (80) gespeicherte vorbestimmte Daten (82; 112), wobei die Daten (82; 112) Fehlergrößen eines Messsumformer-Ausgangssignals als Funktion kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke vorhersagen; Speichern (160) eines Protokolls (86; 114) kumulativer übermäßig hoher Prozessdrücke im Speicher (80); und Erzeugen (162) eines Vorhersage-Ausgangssignals (88; 136) im Regler (76), welches eine vorliegende Fehlergröße des Messumformer-Ausgangssignals als Funktion des gespeicherten Protokolls (86; 114) und der zugegriffenen Daten (82; 112) vorhersagt.