專利名稱：用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器和監(jiān)測(cè)其傳感器的狀態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器，該測(cè)量變換器具有用于檢測(cè)物理的或化學(xué)的參數(shù)的傳感器，并且本發(fā)明涉及一種 根據(jù)權(quán)利要求5的前序部分所述的用于監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的方法。
背景技術(shù)：
在過(guò)程技術(shù)方面的裝置中，為了對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制而使用了用于過(guò)程儀表設(shè)施的 多種多樣的現(xiàn)場(chǎng)儀表。測(cè)量變換器用于檢測(cè)過(guò)程變量，例如介質(zhì)的溫度、壓力、流量、 液位、密度或者氣體濃度。通過(guò)調(diào)節(jié)器，可以取決于檢測(cè)到的過(guò)程變量相應(yīng)于例如由控 制站規(guī)定的策略對(duì)工藝過(guò)程施加影響。作為調(diào)節(jié)器的實(shí)例可以列舉出調(diào)節(jié)閥、加熱裝置 或者泵。由DE 693 09 123 T2已知了一種具有制成薄板的基板的壓力變換器的傳感器。一 種配有電子元件的硅制薄膜層安裝在敞開(kāi)的腔室之上。壓力的變化導(dǎo)致了薄片偏轉(zhuǎn)進(jìn)入 腔室或從該腔室中偏轉(zhuǎn)出來(lái)。這種偏轉(zhuǎn)引起了電學(xué)的參數(shù)的變化，通常是電容或者電阻 值的變化，它們可以被測(cè)量并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于壓力的信息。在惡劣的工作環(huán)境中使用固態(tài) 壓力傳感器經(jīng)常需要一種殼體，其包圍住傳感器并防止由介質(zhì)直接接觸該傳感器。為此 殼體具有耐壓的金屬部件，一個(gè)或多個(gè)測(cè)量腔室位于其中，它們分別通過(guò)一種柔性的、 介質(zhì)密封的膜片遮蓋住，該膜片將測(cè)量腔室與介質(zhì)分隔開(kāi)，并在介質(zhì)的壓力變化時(shí)發(fā)生 變形。在分隔膜片和傳感器膜片之間的測(cè)量腔室中存在有非腐蝕性的、惰性的填充液 體，例如硅油，該填充液體將所要測(cè)量的壓力傳遞給傳感器膜片。將信號(hào)從傳感器引導(dǎo) 至外部的觸點(diǎn)的電線穿過(guò)壓力密封的導(dǎo)線套管從殼體中引出，并且連接到控制-和評(píng)估 裝置上以用于評(píng)估信號(hào)，該裝置例如通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將相應(yīng)于各自壓力的測(cè)量值輸出至控 制站或者可存儲(chǔ)編程的控制器。電子元件用來(lái)檢測(cè)由壓力引起的、傳感器膜片的偏轉(zhuǎn)， 關(guān)于這些電子元件的技術(shù)構(gòu)造在該專利文件中未進(jìn)一步說(shuō)明。將物理的參數(shù)，如壓力、溫度或氣體濃度變換成電信號(hào)的傳感元件通常安裝在 平面的基板上。這種基板然后用作為在支架上的靈敏的傳感器的機(jī)械固定件，并且此外 用作為對(duì)防止外界影響的保護(hù)，例如用于改善電磁的兼容性。尤其是在壓阻的壓力傳感 器中，一種可能性在于，將電子元件安裝在基板上，使該元件埋入在基板中并在該元件 附近對(duì)基板進(jìn)行摻雜，其中在電子元件和基板之間有一個(gè)電觸點(diǎn)。一種根據(jù)二極管類(lèi)型 的PN結(jié)在合適地加載電壓時(shí)，確保了元件和基板的電絕緣。PN結(jié)的電特性取決于基板 材料和摻雜。例如由于化學(xué)的污染引起的傳感器材料的變化可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的變化， 并因此導(dǎo)致測(cè)量值的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器，在該測(cè)量變換器中可以對(duì)基板的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基板承載了用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的電子元件。為了實(shí)現(xiàn)該目的，開(kāi)頭所述類(lèi)型的新型測(cè)量變換器具有在權(quán)利要求1的特征部 分中所述的特征。在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明了本發(fā)明的有利的改進(jìn)方案，并且在權(quán)利要求 5中說(shuō)明了一種監(jiān)測(cè)方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，即現(xiàn)在可以例如根據(jù)由于化學(xué)的污染引起的傳感器材料的變化來(lái)監(jiān)測(cè)傳感器的狀態(tài)。以前，這樣的變化一直不能探測(cè)到并可能導(dǎo)致測(cè)量值的不可 識(shí)別的漂移現(xiàn)象，這種測(cè)量值通過(guò)測(cè)量變換器確定和輸出。探測(cè)傳感器變化的這種可能 性特別有利，這是因?yàn)樵跍y(cè)量變換器的越來(lái)越多的應(yīng)用中，在測(cè)量物理的或化學(xué)的參數(shù) 時(shí)要求非常高的可靠性。這種可靠性通過(guò)相應(yīng)的認(rèn)證，例如根據(jù)IEC61508來(lái)證實(shí)，其中 由于存在對(duì)傳感器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的新的可能性，在傳感器處的診斷測(cè)量不必再僅僅限于 測(cè)量在電子元件自身中的或者電連接導(dǎo)線中的電的斷開(kāi)。更確切地說(shuō)現(xiàn)在可以探測(cè)到在 電子元件和基板之間的過(guò)渡部中以及在基板本身中的變化。如果PN結(jié)的電特性取決于溫度，這種特性被確定和評(píng)估以用于監(jiān)測(cè)傳感器的狀 態(tài)，此外如果設(shè)置了用于檢測(cè)基板溫度的溫度傳感器，并且此外如果用于監(jiān)測(cè)傳感器狀 態(tài)的裝置設(shè)計(jì)用于，根據(jù)電特性確定溫度的第一值并且與利用溫度傳感器測(cè)定的第二值 進(jìn)行比較，那么可以以有利的方式附加地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)溫度傳感器的精度。也就是說(shuō)除了真 正的、設(shè)置用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)的電子元件之外，溫度傳感器常常集成在傳感器中，這是 因?yàn)檎菍?duì)于帶有硅基板的傳感器來(lái)說(shuō)不能忽略溫度敏感性。在這樣的傳感器中誤差通 常為2% /IOk溫度差，而且溫度的錯(cuò)誤測(cè)量不可避免地導(dǎo)致了取決于測(cè)量信號(hào)測(cè)定的測(cè) 量值的誤差補(bǔ)償。因?yàn)橐郧皩?duì)溫度的測(cè)量只是借助于一個(gè)唯一的溫度傳感器進(jìn)行，因此 對(duì)用于溫度測(cè)量的電路的診斷必須局限于對(duì)溫度傳感器本身或者在其輸入導(dǎo)線中的斷開(kāi) 進(jìn)行探測(cè)。相反地，在以前不能探測(cè)到緩慢的漂移現(xiàn)象。因?yàn)楝F(xiàn)在根據(jù)PN結(jié)的電特性 與溫度的相互關(guān)系，存在對(duì)于利用溫度傳感器所測(cè)的溫度的比較值，因此可以控制溫度 測(cè)量的正確性并探測(cè)到誤差。在由于PN結(jié)或者基板的變化引起的誤差或者由于溫度傳 感器的變化引起的誤差之間不需要進(jìn)行區(qū)別，這是因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)其中一個(gè)所述的誤差時(shí)通 過(guò)測(cè)量變換器輸出誤差信息并可以使在其中使用了測(cè)量變換器的過(guò)程在一定條件下進(jìn)入 一種可靠的狀態(tài)。一種這樣的行為已經(jīng)在根據(jù)IEC61508的認(rèn)證中視為可靠地，而且認(rèn)為 100%診斷了傳感器。特別有利的是本發(fā)明的一種設(shè)計(jì)方案，其中PN結(jié)的電特性是其在導(dǎo)通方向上 的正向電壓。這首先取決于溫度和所應(yīng)用材料的狀態(tài)，該狀態(tài)可能例如由于化學(xué)的污染 而慢慢變化。因此可以良好地識(shí)別到逐漸發(fā)展的誤差。正向電壓例如可以在傳感器校 準(zhǔn)的范疇中，通過(guò)作為變化的參數(shù)的溫度進(jìn)行測(cè)量，并作為校準(zhǔn)曲線存儲(chǔ)在微控制器的 EEPROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)中。PN結(jié)的溫度特性因此是已知的，PN結(jié)可以承擔(dān) 被校準(zhǔn)的溫度傳感器的功能，并用于診斷實(shí)際的溫度傳感器。如果用于進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的裝置至少局部地布置在總是存在的控制-和評(píng)估裝置 中，則具有用于監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的新型裝置的測(cè)量變換器可利用特別少的成本來(lái)制造。


根據(jù)在其中示出了本發(fā)明的實(shí)施例的附圖，以下對(duì)本發(fā)明以及設(shè)計(jì)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

具體實(shí)施例方式唯一的附圖示出了測(cè)量變換器1的原理上的電結(jié)構(gòu)，該測(cè)量變換器用于過(guò)程儀 表設(shè)施并且可以連接在現(xiàn)場(chǎng)總線2上以用于和過(guò)程技術(shù)裝置中的上一級(jí)的控制站進(jìn)行通 信。一方面可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線2為測(cè)量變換器1提供其運(yùn)行參數(shù)、例如在現(xiàn)場(chǎng)總線2上的 地址或者測(cè)量值的顯示方式，另一方面可經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線2通過(guò)測(cè)量變換器1輸出測(cè)量值、 報(bào)警信息或者狀態(tài)信息。傳感器3用于檢測(cè)物理的或者化學(xué)的參數(shù)，在示出的實(shí)施例中用于檢測(cè)壓力。 測(cè)量變換器1的其余部分具有控制_和評(píng)估單元的功能，A/D轉(zhuǎn)換器4和微控制器5構(gòu) 成其核心。控制_和評(píng)估單元取決于測(cè)量信號(hào)MS確定物理的或化學(xué)的參數(shù)的一個(gè)測(cè)量 值，該測(cè)量信號(hào)施加在A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端VS+和VS-處，并且該單元將該測(cè)量值通 過(guò)微控制器5的輸出端FB輸出。傳感器3包含四個(gè)取決于壓力的電阻Rl，R2，R3和 R4，它們連接成一個(gè)測(cè)量電橋。測(cè)量信號(hào)MS作為在兩個(gè)連接點(diǎn)S+和S-之間的電壓被 測(cè)量，其中測(cè)量與供電電壓成比例地在傳感器3的連接點(diǎn)V+和V-之間進(jìn)行。電阻R1...R4代表電子元件，它們埋入傳感器3的基板中。為了使這些元件相對(duì) 于基板實(shí)現(xiàn)電絕緣，基板在元件附近進(jìn)行摻雜，從而在電阻R1...R4之間形成二極管，其 在圖中分別以DS表示并且在正常運(yùn)行時(shí)在測(cè)量期間關(guān)閉。因此通過(guò)在電子元件、也就是 說(shuō)電阻R1...R4和傳感器3的基板之間的PN結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)二極管DS。此外溫度測(cè)量電阻TS位于基板上，用于測(cè)量傳感器3的溫度，該溫度測(cè)量電阻 的連接導(dǎo)線通到傳感器3的兩個(gè)連接點(diǎn)T+和T-上，而且溫度測(cè)量電阻與A/D轉(zhuǎn)換器4 的輸入端Tl和T2連接。與地線GND連接的電源7產(chǎn)生經(jīng)過(guò)電阻RB引導(dǎo)的供電電壓+Vcc，該電阻允許 監(jiān)測(cè)傳感器3的斷開(kāi)。根據(jù)這種方式得到基準(zhǔn)電壓+VR，其連接在連接點(diǎn)V+上，用于 給傳感器3供電，以及連接在用于A/D轉(zhuǎn)換器4的基準(zhǔn)電壓的輸入端V R上，以便可以 實(shí)現(xiàn)純粹比例上的測(cè)量。A/D轉(zhuǎn)換器4在正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量了施加在A/D轉(zhuǎn)換器4的輸入端VS+和VS_處 的有差別的測(cè)量信號(hào)MS。附加地，A/D轉(zhuǎn)換器4能夠在與傳感器3的連接點(diǎn)S-連接 的輸入端VA處，測(cè)量相對(duì)于地線的絕對(duì)電位。此外輸入端VA用于確定PN結(jié)的導(dǎo)通電 壓，該P(yáng)N結(jié)在圖中通過(guò)二極管DS表示。為了測(cè)量在二極管DS的導(dǎo)通方向上的、作為 PN結(jié)的電特性的正向電壓，電流必須流過(guò)二極管DS。為此在測(cè)試運(yùn)行時(shí)使傳感器3的 基板上的連接點(diǎn)S，經(jīng)過(guò)電阻RC和開(kāi)關(guān)K1，通過(guò)開(kāi)關(guān)Kl的閉合而接通到地線GND。 電阻RC基本上小于布置在連接點(diǎn)S和供電電壓+Vcc之間的電阻RP。電阻RP也稱作為 極化電阻，并且大約為電阻RC的值的十倍。并聯(lián)于電阻RP布置電容C，其確保使基板 連接點(diǎn)S對(duì)地線GND的阻抗對(duì)于交流電壓來(lái)說(shuō)如此地小，以至于傳感器3的基板也可以 用作為屏蔽物，用于改進(jìn)電磁的兼容性。在對(duì)于通過(guò)微控制器5的測(cè)試運(yùn)行來(lái)說(shuō)借助于 控制信號(hào)S閉合的開(kāi)關(guān)Kl中，電流流過(guò)二極管DS和電阻RC。在此在基準(zhǔn)電壓+VR和 基板接口 S之間產(chǎn)生正向電壓，其間接地通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器4在該轉(zhuǎn)換器的輸入端VA處 進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)于所述的間接測(cè)量正向電壓來(lái)說(shuō)可替換地，當(dāng)然可能在傳感器3的適合的結(jié)構(gòu)型式和A/D轉(zhuǎn)換器4的電路布置中直接檢測(cè)正向電壓。二極管DS的正向電壓主要取決于兩個(gè)影響因素，也就是傳感器3的溫度和材料的狀態(tài)，該狀態(tài)例如由于化學(xué)的污染而可能發(fā)生變化。在校準(zhǔn)測(cè)量變換器1時(shí)，測(cè)量正 向電壓以用于確定其對(duì)于不同溫度的溫度關(guān)聯(lián)性，并根據(jù)特性曲線的類(lèi)型存儲(chǔ)在微控制 器5的EEPROM中，該特性曲線具有作為特性曲線參數(shù)的溫度。根據(jù)這樣檢測(cè)到的溫度 特性，通過(guò)二極管DS表示的PN結(jié)可以承擔(dān)被校準(zhǔn)的溫度傳感器的功能。為了診斷溫度 傳感器TS，在測(cè)試運(yùn)行時(shí)確定的、取決于溫度的二極管DS的正向電壓被用來(lái)確定一個(gè) 用于時(shí)間上與之接近的、利用溫度傳感器TS在正常運(yùn)行時(shí)確定的溫度的比較值。在比較 值和借助于溫度傳感器TS確定的溫度之間有偏差時(shí)，確定誤差，并借助于微控制器5向 出口端FB輸出誤差信息，并因此經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線2輸出，從而可以采用適合的措施來(lái)排除 誤差。偏差既可能由于傳感器3的基板的污染，也能由于溫度傳感器TS中的誤差、例如 由于導(dǎo)線斷開(kāi)而引起。正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)輸出一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)S使開(kāi)關(guān)Kl斷開(kāi)。傳感器3的基板通 過(guò)電阻RP加上一個(gè)電位，該電位高于施加在傳感器3的連接點(diǎn)V+上的基準(zhǔn)電壓+VR。 利用二極管DS表示的、在基板和電子元件、也就是電阻R1...R4之間的PN結(jié)因此關(guān)閉。 也就是說(shuō)沒(méi)有電流從連接點(diǎn)S流入利用電阻R1...R4形成的測(cè)量電橋，而且電子元件通過(guò) PN結(jié)與傳感器3的基板電絕緣。因此可以實(shí)現(xiàn)在正常運(yùn)行時(shí)對(duì)壓力的無(wú)誤差的測(cè)量。以有利的方式在很大程度上使用裝置用于監(jiān)測(cè)，它們總之存在于壓力測(cè)量變換 器的控制-和評(píng)估裝置中。只是必須補(bǔ)充電阻RC、開(kāi)關(guān)Kl和微控制器5的程序段，其 適合用于實(shí)施對(duì)傳感器3的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)傳感器3的綜合診斷的新 的監(jiān)測(cè)方法因此相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量變換器與相對(duì)較小的附加的投入相聯(lián)系，這種綜合診 斷包括了對(duì)所測(cè)量的傳感器溫度的正確性和傳感器材料的狀態(tài)的說(shuō)明。
權(quán)利要求
1.一種用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器，所述測(cè)量變換器具有傳感器(3)，用于檢 測(cè)物理的或化學(xué)的參數(shù)和用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)(MS)；和控制-和評(píng)估單元(4，5)，用于取 決于所述測(cè)量信號(hào)確定和輸出所述物理的或化學(xué)的參數(shù)的測(cè)量值，其特征在于，所述傳 感器(3)具有至少一個(gè)電子元件(R1...R4)，所述電子元件埋入在由半導(dǎo)體材料制成的基 板中并且在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)關(guān)閉的PN結(jié)(DS)和所述基板電絕緣；存在用于監(jiān)測(cè)所述傳 感器(3)的狀態(tài)的裝置(Kl，RC, 4，5)，所述PN結(jié)在測(cè)試運(yùn)行中可通過(guò)所述裝置在導(dǎo) 通方向上接通，并且所述裝置設(shè)計(jì)用于，確定所述PN結(jié)的電特性并且進(jìn)行評(píng)估以用于監(jiān) 測(cè)傳感器狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量變換器，其特征在于，所述PN結(jié)(DS)的所述電特性 取決于溫度；設(shè)置溫度傳感器(TS)，用于檢測(cè)基板溫度；所述監(jiān)測(cè)裝置(Kl，RC, 4， 5)設(shè)計(jì)用于，根據(jù)所述電特性確定所述溫度的第一值并且與利用所述溫度傳感器(TS)測(cè) 定的第二值進(jìn)行比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量變換器，其特征在于，所述PN結(jié)(DS)的所述電 特性是所述PN結(jié)的在所述導(dǎo)通方向上的正向電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的測(cè)量變換器，其特征在于，用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的所 述裝置(Kl，RC, 4，5)至少部分地布置在所述控制-和評(píng)估單元(4，5)中。
5.—種方法，用于對(duì)用來(lái)檢測(cè)物理的或化學(xué)的參數(shù)的傳感器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，和 用于在用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器中產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)(MS)，所述測(cè)量變換器具有控 制-和評(píng)估單元(4，5)，用于取決于所述測(cè)量信號(hào)(MS)確定和輸出物理的或化學(xué)的參 數(shù)的測(cè)量值，其中所述傳感器(3)具有至少一個(gè)電子元件(R1...R4)，所述電子元件埋入 在由半導(dǎo)體材料制成的基板中并且在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)關(guān)閉的PN結(jié)(DS)和所述基板電絕 緣，其中所述方法包括以下步驟在測(cè)試運(yùn)行中使所述PN結(jié)(DS)在導(dǎo)通方向上接通；確定所述PN結(jié)(DS)的電特性；和評(píng)估所述電特性以用于監(jiān)測(cè)所述傳感器(3)的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于過(guò)程儀表設(shè)施的測(cè)量變換器，該測(cè)量變換器具有用于檢測(cè)物理的或化學(xué)的參數(shù)的傳感器，該傳感器具有至少一個(gè)電子元件，該元件埋入在由半導(dǎo)體材料制成的基板中并且在正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)關(guān)閉的PN結(jié)(DS)和該基板電絕緣。監(jiān)測(cè)了傳感器(3)的狀態(tài)，其方法是使PN結(jié)(DS)在測(cè)試運(yùn)行中在導(dǎo)通方向上接通，并且確定PN結(jié)的電特性、尤其是正向電壓，并且進(jìn)行評(píng)估以用于監(jiān)測(cè)狀態(tài)。此外可以監(jiān)測(cè)安裝在傳感器(3)上的溫度傳感器(TS)，其方法是根據(jù)導(dǎo)通電壓的溫度關(guān)系確定對(duì)于利用溫度傳感器(TS)測(cè)定的溫度的比較值。如果出現(xiàn)較大的偏差，那么可以推斷出傳感器(3)的誤差并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(2)輸出相應(yīng)的誤差信息。
文檔編號(hào)G01D18/00GK102016516SQ200980114419
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者埃里克·謝米斯凱, 德?tīng)柗颇取つ釥? 托馬斯·埃斯?fàn)柼? 羅賓·普馬尼克, 馬丁·施帕茨 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司